Cos'è l'elettricità? (Con esperimento)

IL Indennità elettrica È il parametro che quantifica la risposta di un mezzo alla presenza di un campo elettrico. È indicato con la lettera greca ε e il suo valore per il vuoto, che funge da riferimento per gli altri mezzi, è il seguente: ε_O = 8.8541878176 x 10^-12  C² /N.M² 

La natura del mezzo gli dà una risposta particolare ai campi elettrici. In questo modo la temperatura, l'umidità, il peso molecolare, la geometria delle molecole costituenti, le tensioni meccaniche all'interno o che vi è una direzione preferenziale nello spazio in cui l'esistenza del campo è facilitata.

Figura 1. L'aria diventa un driver sopra una certa tensione. Fonte: Pixabay.

In quest'ultimo caso si dice che il materiale si presenta Anisotropia. E quando non è preferenziale alcuna direzione, il materiale viene considerato isotropico. La permeabilità di qualsiasi mezzo omogeneo può essere espressa in base alla permeabilità del vuoto ε_O Attraverso l'espressione:

ε = κε_O

Dove κ è la permeabilità relativa del materiale, chiamata anche Costante dielettrica, una quantità senza dimensioni che è stata determinata sperimentalmente per numerosi materiali. Successivamente verrà spiegato un modo per eseguire questa misurazione.

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Dielettrico e condensatori

Un dielettrico è un materiale che non conduce bene l'elettricità, quindi può essere utilizzato come isolante. Tuttavia, ciò non impedisce al materiale di rispondere a un campo elettrico esterno, creando il proprio.

In ciò che segue analizzeremo la risposta di materiali dielettrici isotropi come vetro, cera, carta, porcellana e alcuni grassi che sono comunemente usati in elettronica.

È possibile creare un campo elettrico esterno al dielettrico tra due fogli metallici di un condensatore a placca piatta.

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Dielettrico, a differenza dei driver come il rame, mancano di carichi liberi che possono essere spostati all'interno del materiale. Le molecole che le costituiscono sono elettricamente neutri, ma i carichi possono muoversi leggermente. In questo modo possono essere modellati come dipoli elettrici.

Un dipolo è elettricamente neutro, ma il carico positivo è separato da una piccola distanza dal carico negativo. All'interno del materiale dielettrico e in assenza di un campo elettrico esterno, i dipoli sono generalmente distribuiti in modo casuale, come si può vedere nella Figura 2.

figura 2. In un materiale dielettrico i dipoli sono orientati casualmente. Fonte: sé realizzato.

Dielettrico in un campo elettrico esterno

Quando il dielettrico viene introdotto nel mezzo di un campo esterno, ad esempio quello che viene creato all'interno di due fogli conduttivi, i dipoli vengono riorganizzati e i carichi vengono separati, creando un campo elettrico interno nel materiale nella direzione opposta all'esterno campo.

Quando si verifica questo spostamento, si dice che il materiale è Polarizzato.

Figura 3. Materiale dielettrico polarizzato. Fonte: sé realizzato.

Questa polarizzazione indotta provoca il campo elettrico netto o risultante E Diminuzione, effetto mostrato nella Figura 3, poiché il campo esterno e il campo interno generato da detto polarizzazione, hanno la stessa direzione ma i sensi opposti. L'entità di E Esso è dato da:

E = e_O - E_Yo

Il campo esterno sperimenta una riduzione grazie all'interazione con il materiale in un fattore chiamato κ o costante dielettrico del materiale, una proprietà macroscopica della stessa. In termini di questo importo il campo risultante o netto è:

E = e_O/κ

La costante dielettrica κ è l'indennità relativa del materiale, una quantità senza dimensioni sempre maggiore di 1 e uguale a 1 in un vuoto.

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κ = ε/ε_O

O ε = κε_O Come descritto all'inizio. Le unità di ε sono uguali a quelle di ε_O: C² /N.M² di m.

Misurazione dell'indennità elettrica

L'effetto dell'inserimento di un dielettrico tra le piastre di un condensatore è quello di consentire l'archiviazione del carico aggiuntiva, ovvero un aumento della capacità. Questo fatto è stato scoperto da Michael Faraday nel XIX secolo.

È possibile misurare la costante dielettrica di un materiale usando un condensatore di placca piatto parallelo come segue: quando c'è solo aria tra le piastre, si può dimostrare che la capacità è data da:

C_O = ε_O. Anno Domini

Dove C_O È la capacità del condensatore, A È l'area dei piatti e D è la distanza tra loro. Ma quando si inserisce un dielettrico, la capacità aumenta di un fattore κ, come si vede nella sezione precedente, e quindi la nuova capacità C è proporzionale all'originale:

C = κε_O. A/d = ε. Anno Domini

Il motivo tra la capacità finale e la capacità iniziale è la costante dielettrica del materiale o dell'indennità relativa:

κ = c /c_O 

E l'indennità elettrica assoluta del materiale in questione è nota attraverso:

ε = ε_O .  (C / c_O)

Le misure possono essere facilmente eseguite se è disponibile un multimetro in grado di misurare la capacità. Un'alternativa è misurare la tensione VO tra le piastre del condensatore senza dielettrica e isolata dalla sorgente. Viene quindi introdotto il dielettrico e si osserva una diminuzione della tensione, il cui valore sarà V.

Quindi κ = V_O / V

Sperimentare per misurare l'indennità elettrica dell'aria

-Materiali

- Piatti piatti Condensatore Separazione regolabile parallela.

- Vite micrometrica o vernier.

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- Multimetro che ha la funzione di misurazione della capacità.

- Carta millimetrata.

-Procedura

- Scegli una separazione D Tra le piastre del condensatore e con l'aiuto del multimetro misura la capacità C_O. Annota la coppia di dati in una tabella di valori.

- Ripeti la procedura precedente per almeno 5 separazioni dalle piastre.

- Trova il quoziente (ANNO DOMINI) Per ciascuna delle misurazioni misurate.

- Grazie all'espressione C_O = ε_O. Anno Domini È noto che c_O È proporzionale al quoziente (Anno Domini). Grafico su carta millimetrica ogni valore di C_O con il loro rispettivo valore di Anno Domini.

- Regola visivamente la linea migliore e determina la pendenza. O trovare la pendenza per regressione lineare. Il valore della pendenza è l'indennità dell'aria.

Importante

La separazione tra le piastre non deve superare circa 2 mm, poiché l'equazione per la capacità del condensatore a piastra piatta parallela è le piastre infinite. Tuttavia, questo è un approccio abbastanza buono, poiché il lato delle piastre è sempre molto più grande della separazione tra di loro.

Questo esperimento determina l'indennità dell'aria, che è abbastanza vicino a quella del vuoto. La costante dielettrica del vuoto è κ = 1, mentre l'aria secca è κ = 1.00059.

Riferimenti

1. Dielettrico. Costante dielettrica. Recuperati da: elettricisti.Cl.
2. Figueroa, Douglas. 2007. Serie fisiche per la scienza e l'ingegneria. Volume 5 Interazione elettrica. 2 °. Edizione. 213-215.
3. Laboratorio d'ElectricitAt I Magnetisme (UPC). Indennità relativa di un materiale. Recuperato da: Elaula.È.
4. Monge, m. Dielettrico. Campo elettrostatico. Università Carlos III di Madrid. Recuperato da: OCW.Uc3m.È.
5. Sears, Zemansky. 2016. Fisica universitaria con fisica moderna. 14^th. Ed. 797 - 806.