การอนุญาตทางไฟฟ้าคืออะไร? (ด้วยการทดลอง) - กายภาพ - 2026

permittivity ไฟฟ้าเป็นพารามิเตอร์ที่ประเมินการตอบสนองของกลางในการปรากฏตัวของสนามไฟฟ้า มันเป็นเรื่องที่แสดงโดยεอักษรกรีกและความคุ้มค่าคุ้มสูญญากาศซึ่งทำหน้าที่เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับสื่ออื่น ๆ ที่เป็นต่อไปนี้: ε _o = 8.8541878176 x 10 ^-12 C ² / นิวตันเมตร^{ที่ 2}

ธรรมชาติของตัวกลางทำให้มันตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าโดยเฉพาะ ด้วยวิธีนี้อุณหภูมิความชื้นน้ำหนักโมเลกุลเรขาคณิตของโมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบความเค้นเชิงกลมีอิทธิพลต่อการตกแต่งภายในหรือมีทิศทางพิเศษบางอย่างในอวกาศที่อำนวยความสะดวกในการดำรงอยู่ของสนาม

รูปที่ 1. อากาศกลายเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเหนือแรงดันไฟฟ้าที่แน่นอน ที่มา: Pixabay

ในกรณีหลังนี้มีการกล่าวถึงวัสดุว่ามี anisotropy และเมื่อไม่มีทิศทางใดเป็นพิเศษวัสดุจะถูกพิจารณาว่าเป็นไอโซทรอปิก ความสามารถในการซึมผ่านของตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันสามารถแสดงเป็นฟังก์ชันของการซึมผ่านของสุญญากาศε _หรือโดยนิพจน์:

ε = κε _หรือ

โดยที่κคือความสามารถในการซึมผ่านสัมพัทธ์ของวัสดุหรือที่เรียกว่าค่าคงที่ไดอิเล็กทริกซึ่งเป็นปริมาณที่ไม่มีมิติซึ่งได้รับการพิจารณาจากการทดลองสำหรับวัสดุหลายชนิด จะมีการอธิบายวิธีการวัดผลนี้ในภายหลัง

ไดอิเล็กทริกและตัวเก็บประจุ

อิเล็กทริกเป็นวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้าได้ดีจึงสามารถใช้เป็นฉนวนได้ อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ไม่ได้ป้องกันไม่ให้วัสดุไม่สามารถตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าภายนอกได้โดยสร้างขึ้นเอง

ในสิ่งต่อไปนี้เราจะวิเคราะห์การตอบสนองของวัสดุอิเล็กทริกไอโซโทรปิกเช่นแก้วขี้ผึ้งกระดาษพอร์ซเลนและไขมันบางส่วนที่ใช้กันทั่วไปในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

สนามไฟฟ้าภายนอกของอิเล็กทริกสามารถสร้างขึ้นได้ระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่นของตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานแบบแบน

อิเล็กทริกซึ่งแตกต่างจากตัวนำเช่นทองแดงไม่มีประจุอิสระที่สามารถเคลื่อนที่ภายในวัสดุได้ โมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบของพวกมันเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่ประจุสามารถขยับได้เล็กน้อย ด้วยวิธีนี้พวกเขาสามารถจำลองเป็นไดโพลไฟฟ้าได้

ไดโพลเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่ประจุบวกอยู่ห่างจากประจุลบเพียงเล็กน้อย ภายในวัสดุอิเล็กทริกและในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอกไดโพลมักจะกระจายแบบสุ่มดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2. ในวัสดุอิเล็กทริกไดโพลจะถูกวางแบบสุ่ม ที่มา: self made.

อิเล็กทริกในสนามไฟฟ้าภายนอก

เมื่อนำอิเล็กทริกมาอยู่ตรงกลางของสนามภายนอกตัวอย่างเช่นอันที่สร้างขึ้นภายในแผ่นนำไฟฟ้าสองแผ่นไดโพลจะจัดโครงสร้างใหม่และประจุแยกจากกันสร้างสนามไฟฟ้าภายในในวัสดุในทิศทางตรงกันข้ามกับสนามภายนอก .

เมื่อเกิดการกระจัดนี้วัสดุจะถูกบอกว่าเป็นโพลาไรซ์

รูปที่ 3. วัสดุอิเล็กทริกโพลาไรซ์ ที่มา: self made.

โพลาไรเซชันที่เหนี่ยวนำนี้ทำให้สนามไฟฟ้าสุทธิหรือผลลัพธ์ E ลดลงผลที่แสดงในรูปที่ 3 เนื่องจากสนามภายนอกและสนามภายในที่สร้างโดยโพลาไรซ์ดังกล่าวมีทิศทางเดียวกัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม ขนาดของ E กำหนดโดย:

สนามภายนอกได้รับการลดลงเนื่องจากการมีปฏิสัมพันธ์กับวัสดุในปัจจัยที่เรียกว่าκหรือค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุซึ่งเป็นสมบัติระดับมหภาคที่เหมือนกัน ในแง่ของปริมาณนี้ฟิลด์ผลลัพธ์หรือสุทธิคือ:

ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกκคือการอนุญาตสัมพัทธ์ของวัสดุปริมาณที่ไม่มีมิติจะมากกว่า 1 เสมอและเท่ากับ 1 ในสุญญากาศ

ε = ε _หรือตามที่อธิบายไว้ตอนต้น หน่วยของεเหมือนกับของε _o : C ² / Nm ²หรือ F / m

การวัดการอนุญาตทางไฟฟ้า

ผลของการใส่อิเล็กทริกระหว่างแผ่นของตัวเก็บประจุคือการอนุญาตให้มีการจัดเก็บประจุเพิ่มเติมนั่นคือความจุที่เพิ่มขึ้น ข้อเท็จจริงนี้ถูกค้นพบโดย Michael Faraday ในศตวรรษที่ 19

เป็นไปได้ที่จะวัดค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุโดยใช้ตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานแบบแบนด้วยวิธีต่อไปนี้: เมื่อมีอากาศระหว่างแผ่นเท่านั้นสามารถแสดงได้ว่าความจุนั้นกำหนดโดย:

โดยที่ C _oคือความจุของตัวเก็บประจุ A คือพื้นที่ของเพลตและ d คือระยะห่างระหว่างพวกเขา แต่เมื่อใส่อิเล็กทริกความจุจะเพิ่มขึ้นตามปัจจัยκดังที่เห็นในส่วนก่อนหน้าจากนั้นความจุใหม่ C จะเป็นสัดส่วนกับของเดิม:

C = κε _หรือ . A / d = ε A / d

อัตราส่วนระหว่างความจุขั้นสุดท้ายและค่าเริ่มต้นคือค่าคงที่อิเล็กทริกของวัสดุหรือการอนุญาตสัมพัทธ์:

κ = C / C _หรือ

และการอนุญาตไฟฟ้าสัมบูรณ์ของวัสดุที่เป็นปัญหานั้นทราบผ่าน:

ε = ε _o . (C / C _o )

การวัดสามารถทำได้อย่างง่ายดายหากคุณมีมัลติมิเตอร์ที่สามารถวัดความจุได้ อีกทางเลือกหนึ่งคือการวัดแรงดันไฟฟ้า Vo ระหว่างแผ่นของตัวเก็บประจุโดยไม่ใช้อิเล็กทริกและแยกออกจากแหล่งกำเนิด จากนั้นจึงนำอิเล็กทริกมาใช้และสังเกตเห็นการลดลงของแรงดันไฟฟ้าซึ่งค่าจะเป็น V.

แล้วκ = V _หรือ / V

การทดลองเพื่อวัดการอนุญาตทางไฟฟ้าของอากาศ

-Materials

- คอนเดนเซอร์แผ่นเรียบขนานระยะห่างที่ปรับได้

- ไมโครเมตริกหรือสกรูเวอร์เนีย

- มัลติมิเตอร์ที่มีหน้าที่วัดความจุ

- กระดาษกราฟ.

-กระบวนการ

- เลือก d แยกระหว่างแผ่นเปลือกโลกตัวเก็บประจุและด้วยความช่วยเหลือของมัลติมิเตอร์วัดความจุ C o บันทึกคู่ข้อมูลในตารางค่า

- ทำซ้ำขั้นตอนข้างต้นเพื่อแยกแผ่นอย่างน้อย 5 แผ่น

- ค้นหาผลหาร (A / d) สำหรับแต่ละระยะทางที่วัดได้

- ขอบคุณแสดงออก C _o = ε o A / d เป็นที่ทราบกันดีว่า C _oเป็นสัดส่วนกับผลหาร (A / d) ลงจุดแต่ละค่าของ C _หรือค่า A / d ตามลำดับบนกระดาษกราฟ

- ปรับเส้นที่ดีที่สุดด้วยสายตาและกำหนดความชัน หรือหาความชันโดยใช้การถดถอยเชิงเส้น ค่าของความลาดชันคือการอนุญาตของอากาศ

สำคัญ

ระยะห่างระหว่างเพลตไม่ควรเกินประมาณ 2 มม. เนื่องจากสมการสำหรับความจุของตัวเก็บประจุแบบแบนขนานถือว่าเพลตไม่มีที่สิ้นสุด อย่างไรก็ตามนี่เป็นค่าประมาณที่ค่อนข้างดีเนื่องจากด้านข้างของแผ่นเปลือกโลกนั้นมีค่ามากกว่าส่วนแยกระหว่างแผ่นเปลือกโลกเสมอ

ในการทดลองนี้กำหนดค่าการอนุญาตของอากาศซึ่งค่อนข้างใกล้เคียงกับสุญญากาศ ค่าคงที่อิเล็กทริกของสุญญากาศคือκ = 1 ในขณะที่อากาศแห้งคือκ = 1.00059

อ้างอิง

1. อิเล็กทริก. ค่าคงที่ของอิเล็กทริก ดึงมาจาก: electricistas.cl.
2. Figueroa, ดักลาส 2550. ชุดฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม. เล่มที่ 5 ปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้า. ครั้งที่ 2 ฉบับ 213-215.
3. Laboratori d'Electricitat i Magnetisme (UPC) ความยินยอมของวัสดุ กู้คืนจาก: elaula.es.
4. Monge, M. Dielectrics สนามไฟฟ้าสถิต. มหาวิทยาลัย Carlos III แห่งมาดริด กู้คืนจาก: ocw.uc3m.es.
5. เซียร์เซมันสกี้ 2559. ฟิสิกส์มหาวิทยาลัยกับฟิสิกส์สมัยใหม่. 14 ^ธ . เอ็ด 797-806