Przeczytaj
Warto przeczytać
DielektrykiDielektryki to materiały, które nie przewodzą prądu elektrycznego (zob. materiał pt. Co to jest dielektryk?). W zewnętrznym polu elektrycznym o natężeniu , cząsteczki dielektryka ulegają polaryzacji (zob. materiał pt. Jak dielektryki zachowują się w zewnętrznym polu elektrycznym?). Polaryzacja ta powoduje powstanie w dielektryku wewnętrznego pola elektrycznego . Pole to jest skierowane przeciwnie do pola zewnętrznego. Sprawia to, że natężenie wypadkowego pola elektrycznego wewnątrz dielektryka:
ma mniejszą wartość niż pole zewnętrzne (Rys. 1.):
Stosunek do zależy od własności dielektryka i nosi nazwę względnej przenikalności elektrycznejprzenikalności elektrycznej:
Zauważ, że stała jest bezwymiarowa (nie ma określonych jednostek), a jej wartość spełnia warunek:
przy czym charakteryzuje próżnię.
Zauważ też, że jeśli natężenie pola elektrycznego wewnątrz dielektryka maleje razy, to również różnica potencjałów (czyli napięcie ) wewnątrz dielektryka musi zmaleć razy:
Co więc się stanie, jeśli przestrzeń między okładkami kondensatora wypełnimy dielektrykiem? Spowoduje to zmniejszenie wartości różnicy potencjałów przy zachowaniu niezmiennego ładunku na okładkach. Zastanówmy się więc, jak wpłynie to na pojemność tego kondensatora.
Pojemność kondensatora próżniowego, czyli takiego między okładkami którego panuje próżnia, wyznaczamy z wzoru:
Po wprowadzeniu dielektryka pojemność będzie więc wynosiła:
Oznacza to, że po umieszczeniu między okładkami kondensatora dielektryka, jego pojemność wzrośnie razy:
W tabeli 1. podano przykładowe wartości względnej przenikalności elektrycznej wybranych dielektryków w temperaturze pokojowej.
Tabela 1. Wartości względnej przenikalności elektrycznej dla różnych materiałów.
Materiał | Względna przenikalność elektryczna |
---|---|
próżnia | 1,0000 |
powietrze | 1,0005 |
teflon | 2,1 |
polietylen | 2,3 |
papier | 3,5 |
szkło | 4,5 |
porcelana | 6,5 |
woda | 78 |
W jaki sposób mierzymy wartość względnej przenikalności elektrycznej?
Wartości tej nie mierzymy bezpośrednio, lecz ją wyznaczamy. Jednym ze sposobów wyznaczenia tej wielkości, który możecie wykorzystać np. na lekcji fizyki, jest pomiar różnicy potencjałów między okładkami kondensatora płaskiego. Potrzebne do tego będą: płyta dielektryczna (np. kawałek szyby lub plastiku), kondensator demonstracyjny (lub dwie metalowe płyty, które możemy ustawić równolegle do siebie), elektroskopelektroskop i maszyna elektrostatycznamaszyna elektrostatyczna.
Okładki kondensatora (lub płyty metalowe) rozsuwamy tak, by dielektryk mógł wypełnić przestrzeń między nimi (około 1‑2 cm). Za pomocą maszyny elektrostatycznej ładujemy jedną z okładek kondensatora. Drugą okładkę możemy przymocować do statywu lub po prostu trzymać ją w ręku - jeśli będzie ona uziemiona, to wyindukuje się na niej taki sam ładunek, jak na pierwszej. Odczytujemy wskazanie elektroskopu (Rys. 2.). Następnie między okładki wsuwamy dielektryk i ponownie odczytujemy wskazanie elektroskopu.
Elektroskop mierzy napięcie między okładkami kondensatora. Podstawiając otrzymane wyniki do wzoru (5) wyznaczymy względną przenikalność elektryczną materiału. Zauważ, że nie ma tu znaczenia, w jakich jednostkach dokonujemy pomiaru napięcia - parametr jest bezwymiarowy.
Słowniczek
(ang.: dielectric) (inaczej izolator elektryczny) to materiał, którym bardzo słabo przewodzi prąd elektryczny. Może to być rezultatem niskiej koncentracji ładunków swobodnych, niskiej ich ruchliwości, lub obu tych czynników równocześnie
(ang. electric dipole) – układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych o takiej samej wartości ładunku.
(ang.: electroscope) to przyrząd służący do pomiaru napięcia. W najprostszej wersji składa się z metalowego pręta, na którego końcu znajdują się listki z cienkiej, przewodzącej prąd folii. Po zetknięciu pręta z ciałem naelektryzowanym (dodatnio lub ujemnie) listki elektroskopu odpychają się od siebie.
(ang.: electrostatic generator) to urządzenie służące do wytwarzania i gromadzenia ładunków elektrycznych (na jednej elektrodzie dodatnich, a na drugiej ujemnych).
(ang.: electric permittivity) charakteryzuje każdy ośrodek, w którym może istnieć pole elektrostatyczne, czyli próżnię i ośrodki materialne. Oznacza się ją grecką literą (epsilon) i przedstawia się jako iloczyn przenikalności elektrycznej próżni i przenikalności względnej ośrodka :
przy czym przenikalność elektryczna próżni ma wartość
zaś przenikalność względna ośrodka jest stałą bezwymiarową o wartości niemniejszej od jedności:
gdzie przyjmuje się, że dla próżni . Im względna przenikalność elektryczna danego ośrodka jest większa, tym mniejsze, w porównaniu z próżnią, będzie natężenie pola elektrycznego, wywołanego w tym ośrodku przez ładunki elektryczne. Przykładowe wartości stałej wynoszą: dla powietrza , dla papieru , dla szkła , a dla wody .