מה זה תריסים חשמליים? (עם ניסוי) - גוּפָנִי - 2025

Permittivity החשמלי הוא הפרמטר זה מכמת את התגובה של מדיום בנוכחות שדה חשמלי. זה מצוין על ידי האות היוונית ε וערכו לוואקום, המשמש התייחסות עבור המדיה האחרת, הוא הבא: ε _o = 8.8541878176 x 10 ^-12 C ² / Nm ²

אופי המדיום נותן לו תגובה מסוימת לשדות חשמליים. באופן זה, הטמפרטורה, הלחות, המשקל המולקולרי, הגיאומטריה של המולקולות המרכיבות, הלחצים המכניים משפיעים על הפנים, או שיש כיוון מועדף בחלל בו מקלים על קיום שדה.

איור 1. האוויר הופך להיות מוליך מעל מתח מסוים. מקור: Pixabay.

במקרה האחרון, נאמר כי לחומר יש anisotropy. וכשאף כיוון אינו מועדף החומר נחשב לאיזוטרופי. החדשות של כל מדיום הומוגני יכולה לבוא לידי ביטוי כפונקציה של החדירות של הוואקום ε _{או על} ידי הביטוי:

ε = κε _או

כאשר κ הוא החדירות היחסית של החומר, המכונה גם הקבוע הדיאלקטרי, כמות נטולת ממדים שנקבעה באופן ניסיוני עבור חומרים רבים. דרך לבצע מדידה זו תוסבר בהמשך.

דיאלקטרים ​​וקבלים

דיאלקטרי הוא חומר שאינו מוליך חשמל היטב, ולכן הוא יכול לשמש כמבודד. עם זאת, זה לא מונע מהחומר להיות מסוגל להגיב לשדה חשמלי חיצוני, ליצור לעצמו.

במה שלאחר מכן ננתח את התגובה של חומרים דיאלקטריים איזוטרופיים כמו זכוכית, שעווה, נייר, חרסינה וכמה שומנים הנפוצים באלקטרוניקה.

ניתן ליצור שדה חשמלי חיצוני לדיאלקטרי בין שני סדינים מתכתיים של קבל צלחת מקבילית שטוחה.

דיאלקטריקה, בניגוד למוליכים כמו נחושת, חסרה מטענים חופשיים שיכולים לנוע בתוך החומר. מולקולות המרכיב שלהן ניטרליות חשמלית, אך המטענים יכולים להשתנות מעט. בדרך זו הם יכולים להיות מודלים כדיפול חשמלי.

דיפול הוא נייטרלי חשמלי, אך המטען החיובי נמצא במרחק קטן מהמטען השלילי. בתוך החומר הדיאלקטרי ובהיעדר שדה חשמלי חיצוני, הדיפולים בדרך כלל מופצים באופן אקראי, כפי שמוצג באיור 2.

איור 2. בחומר דיאלקטרי הדיפולנים מכוונים באופן אקראי. מקור: תוצרת עצמית.

דיאלקטרי בשדה חשמלי חיצוני

כשמכניסים את הדיאלקטרי באמצע שדה חיצוני, למשל זה שנוצר בתוך שני סדינים מוליכים, הדיפולנים מתארגנים מחדש והמטענים נפרדים, ויוצרים שדה חשמלי פנימי בחומר בכיוון ההפוך לשדה החיצוני. .

כאשר תזוזה זו מתרחשת, נאמר כי החומר מקוטב.

איור 3. איור 3. חומר דיאלקטרי מקוטב. מקור: תוצרת עצמית.

קיטוב מושרש זה גורם לירידה של השדה החשמלי נטו או כתוצאה מכך, השפעה המוצגת באיור 3, מכיוון שלשדה החיצוני והשדה הפנימי שנוצר על ידי הקיטוב האמור יש כיוון זהה אך כיוונים הפוכים. גודל ה- E ניתן על ידי:

השדה החיצוני עובר צמצום הודות לאינטראקציה עם החומר בגורם הנקרא κ או קבוע דיאלקטרי של החומר, תכונה מקרוסקופית זהה. מבחינת כמות זו, השדה המתקבל או הרשת הוא:

הקבוע הדיאלקטרי κ הוא ההיתר היחסי של החומר, כמות חסרת ממדים תמיד גדולה מ 1 ושווה ל 1 בוואקום.

או ε = κε _או כמתואר בהתחלה. יחידות ε זהות לאלה של ε _o : C ² / Nm ² או F / m.

מדידת ההיתר החשמלי

ההשפעה של החדרת דיאלקטרי בין צלחות קבל היא לאפשר אחסון של מטענים נוספים, כלומר הגדלת הקיבולת. עובדה זו התגלתה על ידי מייקל פאראדיי במאה ה -19.

אפשר למדוד את הקבוע של הדיאלקטרי של חומר באמצעות קבל צלחת מקבילית שטוחה באופן הבא: כאשר יש רק אוויר בין הצלחות, ניתן להראות כי הקיבולת ניתנת על ידי:

כאשר C _o הוא הקיבול של הקבל, A הוא שטח הלוחות ו d הוא המרחק ביניהם. אבל כשמכניסים דיאלקטרי, הקיבולת גדלה על ידי גורם K, כפי שנראה בסעיף הקודם, ואז הקיבולת החדשה C פרופורציונלית למקור:

C = κε _או . A / d = ε. א / ד

היחס בין הקיבולת הסופית וההתחלתית הוא הקבוע הדיאלקטרי של החומר או ההיתר היחסי:

κ = C / C _או

והאפשרויות החשמליות המוחלטות של החומר המדובר ידועות דרך:

ε = ε _o . (C / C _o )

ניתן לבצע מדידות בקלות אם יש לכם מולטימטר המסוגל למדוד קיבול. אלטרנטיבה היא למדוד את המתח Vo בין צלחות הקבל ללא דיאלקטרי ומבודד מהמקור. ואז הכניסה של הדיאלקטרי נצפתה ירידה במתח, שערכו יהיה V.

ואז κ = V _או / V

ניסוי למדידת ההיתר החשמלי של האוויר

-חומרים

- מרווח מתכוונן הקבל צלחת שטוחה מקבילה.

- בורג מיקרומטרי או ורניר.

- מולטימטר שיש לו את הפונקציה של יכולת מדידה.

- נייר גרף.

-תהליך

- בחר הפרדה d בין לוחות הקבל ובעזרת המולטימטר מודדים את הקיבולת C _o . רשמו את צמד הנתונים בטבלת ערכים.

- חזור על הנוהל שלמעלה לפחות 5 הפרדות צלחת.

- מצא את המנה (A / d) עבור כל אחד מהמרחקים שנמדדו.

- בזכות הביטוי C _o = ε _o . A / D ידוע כי C _o הוא פרופורציונאלי למנתק (A / D). רישום כל ערך של C _או ערך A / d המתאים לו על נייר גרף .

- התאימו חזותית את הקו הטוב ביותר וקבעו את שיפועו. או מצא את המדרון באמצעות רגרסיה לינארית. ערך המדרון הוא מתן האוויר.

חָשׁוּב

ההפרדה בין הפלטות לא צריכה לעלות על כ -2 מ"מ, מכיוון שהמשוואה לקיבול קבל קבלת הצלחות השטוחות המקבילות מניחה אינסוף צלחות. עם זאת, מדובר בקירוב טוב למדי, מכיוון שצד הלוחות תמיד גדול בהרבה מההפרדה ביניהם.

בניסוי זה נקבעת ההיתר של אוויר, שהוא די קרוב לזה של ואקום. הקבוע הדיאלקטרי של ואקום הוא κ = 1 ואילו זה של אוויר יבש הוא κ = 1.00059.

הפניות

1. דיאלקטרי. קבוע דיאלקטרי. התאושש מ: חשמלאי.קל.
2. פיגרואה, דאגלס. 2007. סדרת פיזיקה למדע והנדסה. אינטראקציה חשמלית בכרך 5. 2. מַהֲדוּרָה. 213-215.
3. Laboratori d'Electricitat i Magnetisme (UPC). הרשאות יחסית של חומר. התאושש מ: elaula.es.
4. מונג ', מ. שדה אלקטרוסטטי. אוניברסיטת קרלוס השלישית ממדריד. התאושש מ: ocw.uc3m.es.
5. סירס, זמנסקי. 2016. פיזיקה באוניברסיטה עם פיזיקה מודרנית. 14 ^ה . עורכים 797-806.