MI AZ ELEKTROMOS VEZETÉKENYSÉG? (KÍSÉRLETTEL) - FIZIKAI - 2025

Az elektromos engedélyképesség az a paraméter, amely számszerűsíti egy közeg válaszát elektromos mező jelenlétében. A görög ε betűvel van jelölve, és a vákuum értéke, amely a többi táptalaj referenciájaként szolgál, a következő: ε _o = 8,8541878176 x 10 ^-12 C ² / Nm ²

A közeg jellege különleges választ ad neki az elektromos terekre. Ilyen módon a hőmérséklet, páratartalom, molekulatömeg, az alkotó molekulák geometriája, a mechanikai feszültségek befolyásolják a belső teret, vagy hogy van egy olyan preferenciális irány a térben, amelyben megkönnyíti a mező meglétét.

1. ábra: A levegő bizonyos feszültség felett vezetőképessé válik. Forrás: Pixabay.

Az utóbbi esetben az anyagról anizotropia van. És ha egyik irány sem előnyös, akkor az anyagot izotópnak tekintik. Bármely homogén közeg permeabilitása az ε vákuum permeabilitásának függvényében _vagy a következő kifejezéssel fejezhető ki:

ε = κε _vagy

Ahol κ az anyag relatív permeabilitása, amelyet dielektromos állandónak is neveznek, olyan méret nélküli mennyiség, amelyet sok anyag esetében kísérletileg meghatároztak. A mérés elvégzésének módját később ismertetjük.

Dielektrikumok és kondenzátorok

A dielektromos anyag olyan anyag, amely nem vezet jól az elektromossággal, tehát szigetelőként használható. Ez azonban nem akadályozza meg az anyagot, hogy képes legyen reagálni egy külső elektromos mezőre, létrehozva saját.

A következőkben az izotróp dielektromos anyagok, például üveg, viasz, papír, porcelán és néhány, az elektronikában általánosan használt zsír reakcióját elemezzük.

A dielektrikán kívüli elektromos mező létrehozható egy lapos párhuzamos lemezkondenzátor két fémlemeze között.

A dielektrikumoknak, szemben a vezetőkkel, mint például a réz, nincs olyan töltése, amely az anyagon belül mozoghat. Alkotó molekulaik elektromos szempontból semlegesek, de a töltések kissé eltolódhatnak. Ily módon elektromos dipólusokká modellezhetők.

A dipól elektromos szempontból semleges, de a pozitív töltés kis távolságra van a negatív töltéstől. A dielektromos anyagon belül és külső elektromos mező hiányában a dipolok általában véletlenszerűen oszlanak el, a 2. ábra szerint.

2. ábra. A dielektromos anyagban a dipolok véletlenszerűen vannak orientálva. Forrás: saját készítésű.

Dielektromos külső elektromos mezőben

Amikor a dielektrikát egy külső mező közepére vezetik, például a két vezető lap belsejében létrejövőt, a dipolok átszerveződnek és a töltések elkülönülnek, és belső anyagmezőt hoznak létre az anyagban a külső mezővel ellentétes irányban..

Amikor ez az elmozdulás megtörténik, az anyag polarizálódik.

3. ábra. Polarizált dielektromos anyag. Forrás: saját készítésű.

Ez az indukált polarizáció azt eredményezi, hogy a nettó vagy az ebből eredő E elektromos mező csökken, ami a 3. ábrán látható, mivel az említett polarizáció által generált külső mező és a belső mező azonos irányú, de ellentétes irányú. Az E nagyságát a következő adja meg:

A külső mező redukción megy keresztül, az anyaggal való kölcsönhatásnak köszönhetően, az κ faktorban vagy az anyag dielektromos állandójában, amely makroszkopikus tulajdonságú. E mennyiséget tekintve a kapott vagy nettó mező:

A κ dielektromos állandó az anyag relatív engedélyessége, a méret nélküli mennyiség mindig nagyobb, mint 1 és egyenlő vákuumban.

Vagy ε = κε, _vagy az elején leírtak szerint. Az ε egységei megegyeznek az ε _o értékeivel: C ² / Nm ² vagy F / m.

Az elektromos hajlandóság mérése

A dielektrikum beillesztése a kondenzátor lapjai közé lehetővé teszi a kiegészítő töltések tárolását, azaz a kapacitás növekedését. Ezt a tényt Michael Faraday fedezte fel a 19. században.

Az anyag dielektromos állandóját lapos párhuzamos lemezkondenzátorral lehet megmérni az alábbiak szerint: amikor a lemezek között csak levegő van, akkor kimutatható, hogy a kapacitást a következő adja meg:

Ahol C _o a kondenzátor kapacitása, A a lemezek területe és d a távolság közöttük. Ám dielektrikum behelyezésekor a kapacitás κ-tényezővel növekszik, mint az előző szakaszban látható, és akkor az új C kapacitás arányos az eredetivel:

C = κε _vagy. A / d = ε. A / d

A végső és a kezdeti kapacitás aránya az anyag dielektromos állandója vagy a relatív megengedhetőség:

κ = C / C _vagy

És a kérdéses anyag abszolút elektromos képessége a következőkön keresztül ismert:

ε = ε _o. (C / C _o)

A mérések könnyen elvégezhetők, ha van egy multiméter, amely képes a kapacitás mérésére. Alternatív megoldásként megmérjük a Vo feszültséget a kondenzátor lemezei között, dielektrikum nélkül és a forrástól elkülönítve. Ezután bevezetik a dielektrikát és megfigyelik a feszültség csökkenését, amelynek értéke V lesz.

Ezután κ = V _vagy / V

Kísérlet a levegő elektromos potenciáljának mérésére

-Materials

- Állítható távolság párhuzamos lapos kondenzátor.

- Mikrométer vagy zárócsavar.

- Multiméter, amelynek feladata a kapacitás mérése.

- Rajzlap.

-Folyamat

- Válasszon egy elválasztást d a kondenzátorlemezek között, és a multiméter segítségével mérje meg a C _o kapacitást. Jegyezze fel az adatpárt az értéktáblába.

- Ismételje meg a fenti eljárást legalább 5 lemezek elválasztására.

- Keresse meg a mért távolság hányadosát (A / d).

- A C _o = ε _o kifejezésnek köszönhetően. A / d ismert, hogy a C- _O arányos a hányados (A / D). Ábrázolja a C minden értékét _vagy annak megfelelő A / d értékét a grafikonpapíron.

- Vizuálisan állítsa be a legjobb sort és határozza meg annak lejtését. Vagy keresse meg a meredekséget lineáris regresszióval. A lejtő értéke a levegő megengedhetősége.

Fontos

A lemezek közötti távolság nem haladhatja meg a 2 mm-t, mivel a párhuzamos lapos kondenzátor kapacitásának egyenlete végtelen lemezeket feltételez. Ez viszonylag jó közelítés, mivel a lemezek oldala mindig sokkal nagyobb, mint a köztük lévő elválasztás.

Ebben a kísérletben meghatározzuk a levegő megengedhetőségét, ami nagyon közel áll a vákuuméhoz. A vákuum dielektromos állandója κ = 1, míg a száraz levegő κ = 1.00059.

Irodalom

1. Dielektromos. Dielektromos állandó. Helyreállítva: electricistas.cl.
2. Figueroa, Douglas. 2007. Fizikai sorozat a tudomány és a technika számára. 5. kötet: elektromos interakció. 2.. Kiadás. 213-215.
3. Laboratori d'Electricitat i Magnetisme (UPC). Anyag relatív peritivitása. Helyreállítva: elaula.es.
4. Monge, M. Dielectrics. Elektrosztatikus mező. III. Madridi Carlos egyetem. Helyreállítva: ocw.uc3m.es.
5. Sears, Zemansky. 2016. Egyetemi fizika a modern fizikával. 14 ^-én. Ed. 797-806.