ЩО ТАКЕ ЕЛЕКТРИЧНА ПРОНИКНІСТЬ? (З ЕКСПЕРИМЕНТОМ) - ФІЗИЧНІ - 2025

Електрична проникність є параметром , який кількісно відгук середовища в присутності електричного поля. Він позначається грецькою літерою ε, а значення для вакууму, яке служить орієнтиром для інших середовищ, таке: ε _o = 8,8541878176 x 10 ^-12 C ² / Nm ²

Характер середовища дає йому особливу реакцію на електричні поля. Таким чином, температура, вологість, молекулярна маса, геометрія складових молекул, механічні напруги впливають на внутрішнє приміщення або на те, що в просторі є деякий переважний напрямок, в якому полегшується існування поля.

Малюнок 1. Повітря стає струмопровідним вище певної напруги. Джерело: Pixabay.

В останньому випадку, як кажуть, матеріал має анізотропію. І коли жоден напрямок не є переважним, матеріал вважається ізотропним. Проникність будь-якого гомогенного середовища може бути виражена функцією проникності вакууму ε _або виразом:

ε = κε _або

Де κ - відносна проникність матеріалу, яку також називають діелектричною постійною, безрозмірною величиною, яка була визначена експериментально для багатьох матеріалів. Спосіб проведення цього вимірювання буде пояснено пізніше.

Діелектрики та конденсатори

Діелектрик - це матеріал, який недостатньо добре проводить електрику, тому його можна використовувати як ізолятор. Однак це не заважає матеріалу реагувати на зовнішнє електричне поле, створюючи своє власне.

Далі ми розберемо реакцію ізотропних діелектричних матеріалів, таких як скло, віск, папір, фарфор та деякі жири, які зазвичай використовуються в електроніці.

Електричне поле, зовнішнє до діелектрика, може бути створене між двома металевими листами плоского конденсатора паралельної пластини.

Діелектрики, на відміну від таких провідників, як мідь, не мають вільних зарядів, які можуть рухатися всередині матеріалу. Їх складові молекули електрично нейтральні, але заряди можуть дещо змінюватися. Таким чином їх можна моделювати як електричні диполі.

Диполь електрично нейтральний, але позитивний заряд - це невелика відстань від негативного заряду. Усередині діелектричного матеріалу та за відсутності зовнішнього електричного поля диполі зазвичай розподіляються випадковим чином, як показано на малюнку 2.

Малюнок 2. У діелектричному матеріалі диполі орієнтовані випадковим чином. Джерело: саморобний.

Діелектрик у зовнішньому електричному полі

Коли діелектрик вводиться в середину зовнішнього поля, наприклад, створеного всередині двох струмопровідних листів, диполі реорганізуються, а заряди відокремлюються, створюючи внутрішнє електричне поле в матеріалі, протилежному зовнішньому. .

Коли відбувається це переміщення, матеріал, як кажуть, поляризований.

Малюнок 3. Поляризований діелектричний матеріал. Джерело: саморобний.

Ця індукована поляризація призводить до зменшення чистого чи електричного поля Е, ефект, показаний на рисунку 3, оскільки зовнішнє поле та внутрішнє поле, породжене зазначеною поляризацією, мають однаковий напрямок, але протилежні напрямки. Величину E задають:

Зовнішнє поле зазнає зменшення завдяки взаємодії з матеріалом у факторі, який називається κ або діелектричною постійною матеріалу, макроскопічна властивість того ж. З огляду на цю кількість, отримане чи чисте поле:

Діелектрична константа κ - відносна проникність матеріалу, безрозмірна величина, завжди більша за 1 і дорівнює 1 у вакуумі.

Або ε = κε, _або як описано на початку. Одиниці ε такі ж, як і у ε _o : C ² / Nm ² або F / m.

Вимірювання електричної проникності

Ефект вставки діелектрика між пластинами конденсатора полягає в тому, щоб дозволити зберігання додаткових зарядів, тобто збільшення ємності. Цей факт виявив Майкл Фарадей у ​​19 столітті.

Можна виміряти діелектричну константу матеріалу, використовуючи плоский паралельний конденсатор пластини таким чином: коли між пластинами є тільки повітря, можна показати, що ємність задається:

Де C _o - ємність конденсатора, A - площа пластин, d - відстань між ними. Але при введенні діелектрика ємність збільшується на коефіцієнт κ, як видно з попереднього розділу, і тоді нова ємність С пропорційна оригіналу:

C = κε _або . A / d = ε. А / д

Співвідношення між кінцевою і початковою ємністю - діелектрична константа матеріалу або відносна проникність:

κ = C / C _або

А абсолютна електрична проникність розглянутого матеріалу відома через:

ε = ε _o . (C / C _o )

Вимірювання можна легко здійснити, якщо у вас є мультиметр, здатний вимірювати ємність. Альтернативою є вимірювання напруги Vo між пластинами конденсатора без діелектрика і ізольованими від джерела. Потім вводиться діелектрик і спостерігається зменшення напруги, значення якого буде V.

Тоді κ = V _або / V

Експеримент для вимірювання електричної проникності повітря

-Матеріали

- Регульований міжряддя паралельний плоский конденсатор.

- Мікрометричний або гвинтовий гвинт.

- Мультиметр, який має функцію вимірювання ємності.

- Графічний папір.

-Процес

- Виберіть поділ d між пластинами конденсатора і за допомогою мультиметра виміряйте ємність C _o . Запишіть пара даних у таблицю значень.

- Повторіть описану вище процедуру щонайменше для 5 роз'єднань пластини.

- Знайдіть коефіцієнт (A / d) для кожної вимірюваної відстані.

- Завдяки виразу C _o = ε _o . A / d відомо, що C _o пропорційний коефіцієнту (A / d). Накресліть кожне значення C _або його відповідне значення A / d на графічному папері .

- Візуально регулюйте найкращу лінію та визначайте її нахил. Або знайти нахил за допомогою лінійної регресії. Значення схилу - проникність повітря.

Важливо

Розмежування між пластинами не повинно перевищувати приблизно 2 мм, оскільки рівняння ємності паралельного плоского конденсатора пластини передбачає нескінченну пластину. Однак це досить вдале наближення, оскільки сторона пластин завжди набагато більша, ніж розділення між ними.

У цьому експерименті визначається проникність повітря, яка досить близька до вакууму. Діелектрична константа вакууму становить κ = 1, а сухого повітря κ = 1.00059.

Список літератури

1. Діелектрик. Діелектрична константа. Відновлено: electricistas.cl.
2. Фігероа, Дуглас. 2007. Серія фізики для науки та техніки. Том 5 Електрична взаємодія. 2-й. Видання. 213-215.
3. Laboratori d'Electricitat i Magnetisme (UPC). Відносна стійкість матеріалу. Відновлено з: elaula.es.
4. Монж, М. Діелектрики. Електростатичне поле. Університет Карлоса III Мадридського. Відновлено: ocw.uc3m.es.
5. Сірс, Земанський. 2016. Університетська фізика із сучасною фізикою. 14- ^й . Видання 797-806.