전기 유전율은 전계의 존재하에 반응 매질의 정량화 파라미터이다. 그리스 문자 ε로 표시되며 다른 매체에 대한 참조로 사용되는 진공 값은 다음과 같습니다. ε o = 8.8541878176 x 10 -12 C 2 / Nm 2
매체의 특성은 전기장에 대한 특정 반응을 제공합니다. 이런 식으로 온도, 습도, 분자량, 구성 분자의 기하학적 구조, 내부의 기계적 응력이 영향을 미치거나 장의 존재가 촉진되는 공간에 우선적 인 방향이 있습니다.
그림 1. 공기는 특정 전압 이상으로 전도됩니다. 출처 : Pixabay.
후자의 경우 재료는 이방성을 가지고 있다고합니다. 어느 방향도 우선하지 않는 경우 재질은 등방성으로 간주됩니다. 모든 균질 매체의 투과성은 진공 ε의 투과성 함수 또는 다음 식으로 표현할 수 있습니다.
ε = κε 또는
여기서 κ는 유전 상수라고도하는 물질의 상대 투자율이며, 많은 물질에 대해 실험적으로 결정된 무 차원 양입니다. 이 측정을 수행하는 방법은 나중에 설명합니다.
유전체 및 커패시터
유전체는 전기가 잘 통하지 않는 물질이므로 절연체로 사용할 수 있습니다. 그러나 이것은 재료가 외부 전기장에 반응하여 자체를 생성하는 것을 방해하지 않습니다.
다음에서는 유리, 왁스, 종이, 도자기 및 전자 제품에 일반적으로 사용되는 일부 지방과 같은 등방성 유전 물질의 반응을 분석합니다.
유전체 외부의 전기장은 평평한 평행 판 커패시터의 두 금속 시트 사이에 생성 될 수 있습니다.
구리와 같은 도체와 달리 유전체는 물질 내에서 이동할 수있는 자유 전하가 부족합니다. 그들의 구성 분자는 전기적으로 중성이지만 전하가 약간 이동할 수 있습니다. 이러한 방식으로 전기 쌍극자로 모델링 할 수 있습니다.
쌍극자는 전기적으로 중성이지만 양전하는 음전하에서 약간 떨어져 있습니다. 유전체 재료 내에서 외부 전기장이없는 경우 쌍극자는 일반적으로 그림 2와 같이 무작위로 분포됩니다.
그림 2. 유전체 재료에서 쌍극자는 무작위로 배향됩니다. 출처 : 자체 제작.
외부 전기장의 유전체
유전체가 외부 필드의 중간에 도입되면 (예 : 두 개의 전도성 시트 내부에 생성 된 것) 쌍극자가 재구성되고 전하가 분리되어 외부 필드와 반대 방향으로 재료에 내부 전기장을 생성합니다. .
이 변위가 발생하면 재료가 편광된다고합니다.
그림 3. 편광 유전체 재료. 출처 : 자체 제작.
이 유도 된 분극은 순 또는 결과적인 전기장 E를 감소 시키게하는데, 이는 그림 3에 나타난 효과입니다. 왜냐하면 상기 분극에 의해 생성 된 외부 장과 내부 장은 같은 방향이지만 반대 방향을 갖기 때문입니다. E의 크기는 다음과 같이 지정됩니다.
외부 필드는 재료의 거시적 특성 인 κ 또는 재료의 유전 상수라고하는 계수에서 재료와의 상호 작용으로 인해 감소됩니다. 이 수량과 관련하여 결과 또는 순 필드는 다음과 같습니다.
유전 상수 κ는 재료의 비유 전율이며, 무 차원 양은 항상 1보다 크고 진공에서 1과 같습니다.
ε = κε 또는 처음에 설명한대로. ε의 단위는 ε o 의 단위와 동일합니다 : C 2 / Nm 2 또는 F / m.
전기 유전율 측정
커패시터의 플레이트 사이에 유전체를 삽입하는 효과는 추가 전하의 저장, 즉 용량 증가를 허용하는 것입니다. 이 사실은 19 세기에 마이클 패러데이에 의해 발견되었습니다.
다음과 같이 평행 평판 커패시터를 사용하여 재료의 유전 상수를 측정 할 수 있습니다. 플레이트 사이에 공기 만있는 경우 용량이 다음과 같이 주어진다는 것을 알 수 있습니다.
C o 는 커패시터의 커패시턴스이고, A는 플레이트의 면적이고 d는 플레이트 사이의 거리입니다. 그러나 유전체를 삽입 할 때 이전 섹션에서 볼 수 있듯이 용량은 계수 κ만큼 증가하고 새 용량 C는 원본에 비례합니다.
C = κε 또는 . A / d = ε. 기원 후
최종 용량과 초기 용량 사이의 비율은 재료의 유전 상수 또는 비유 전율입니다.
κ = C / C 또는
문제가되는 물질의 절대 전기 유전율은 다음을 통해 알 수 있습니다.
ε = ε o . (C / C o )
정전 용량을 측정 할 수있는 멀티 미터가 있으면 측정을 쉽게 수행 할 수 있습니다. 대안은 유전체없이 소스로부터 분리 된 커패시터의 플레이트 사이의 전압 Vo를 측정하는 것입니다. 그런 다음 유전체가 도입되고 전압 감소가 관찰되며 그 값은 V가됩니다.
그러면 κ = V 또는 / V
공기의 전기 유전율 측정 실험
-기재
-조정 가능한 간격 평행 평판 콘덴서.
-마이크로 메트릭 또는 버니어 나사.
-용량 측정 기능이있는 멀티 미터.
- 모눈 종이.
-방법
-커패시터 플레이트 사이의 간격 d를 선택하고 멀티 미터를 사용하여 용량 C o를 측정합니다 . 값 테이블에 데이터 쌍을 기록하십시오.
-최소 5 번의 플레이트 분리에 대해 위 절차를 반복합니다.
-측정 된 각 거리에 대한 몫 (A / d)을 찾습니다.
-C o = ε o 표현 덕분에 . A / d C o 는 몫 (A / d)에 비례하는 것으로 알려져 있습니다. C의 각 값 또는 각각의 A / d 값을 그래프 용지에 플로팅합니다 .
-최적의 선을 시각적으로 조정하고 기울기를 결정합니다. 또는 선형 회귀를 사용하여 기울기를 찾으십시오. 기울기의 값은 공기의 유전율입니다.
중대한
평행 평판 커패시터의 커패시턴스 방정식은 무한 플레이트를 가정하기 때문에 플레이트 사이의 간격은 약 2mm를 초과해서는 안됩니다. 그러나 이것은 판의 측면이 항상 판 사이의 간격보다 훨씬 크기 때문에 상당히 좋은 근사치입니다.
이 실험에서 공기의 유전율은 진공의 유전율에 매우 가깝습니다. 진공의 유전 상수는 κ = 1이고 건조한 공기의 유전 상수는 κ = 1.00059입니다.
참고 문헌
- 유전체. 유전 상수. 출처 : electricistas.cl.
- Figueroa, Douglas. 2007. 과학 및 공학 물리학 시리즈. 5 권 전기적 상호 작용. 2 위. 판. 213-215.
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- 시어스, 제만 스키. 2016. 현대 물리학과 대학 물리학. 14 회 . Ed. 797-806.