Il permettività elettrica È il parametro che quantifica la risposta di un mezzo alla presenza di un campo elettrico. È indicato dalla lettera greca ε e il suo valore per il vuoto, che serve come riferimento per gli altri media, è il seguente: εo = 8,8541878176 x 10-12 CDue /N.mDue
La natura del mezzo gli conferisce una risposta particolare ai campi elettrici. In questo modo, la temperatura, l'umidità, il peso molecolare, la geometria delle molecole costituenti, le sollecitazioni meccaniche all'interno o che ci sia qualche direzione preferenziale nello spazio in cui l'esistenza del campo è facilitata..
In quest'ultimo caso si dice che il materiale presenti anisotropia. E quando nessuna direzione è preferenziale il materiale viene considerato isotropo. La permeabilità di qualsiasi mezzo omogeneo può essere espressa in funzione della permeabilità del vuoto εo usando l'espressione:
ε = κεo
Dove κ è la permeabilità relativa del materiale, chiamata anche costante dielettrica, una quantità adimensionale che è stata determinata sperimentalmente per molti materiali. Un modo per eseguire questa misurazione verrà spiegato più avanti..
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Un dielettrico è un materiale che non conduce bene l'elettricità, quindi può essere utilizzato come isolante. Tuttavia, ciò non impedisce al materiale di poter rispondere ad un campo elettrico esterno, creando il proprio..
In quanto segue analizzeremo la risposta di materiali dielettrici isotropi come vetro, cera, carta, porcellane e alcuni grassi comunemente usati in elettronica..
Un campo elettrico esterno al dielettrico può essere creato tra due fogli metallici di un condensatore piatto a piastre parallele..
I dielettrici, a differenza dei conduttori come il rame, mancano di cariche libere che possono muoversi all'interno del materiale. Le loro molecole costituenti sono elettricamente neutre, ma le cariche possono spostarsi leggermente. In questo modo possono essere modellati come dipoli elettrici.
Un dipolo è elettricamente neutro, ma la carica positiva è separata a una piccola distanza dalla carica negativa. All'interno del materiale dielettrico e in assenza di un campo elettrico esterno, i dipoli sono solitamente distribuiti in modo casuale, come mostrato in figura 2.
Quando il dielettrico viene introdotto al centro di un campo esterno, ad esempio quello creato all'interno di due fogli conduttivi, i dipoli si riorganizzano e le cariche si separano, creando un campo elettrico interno al materiale in direzione opposta al campo esterno..
Quando si verifica questo spostamento si dice che il materiale è polarizzato.
Questa polarizzazione indotta causa il campo elettrico netto o risultante E diminuzione, effetto mostrato in figura 3, poiché il campo esterno e il campo interno generato da detta polarizzazione hanno la stessa direzione ma direzioni opposte. La grandezza di E è dato da:
E = Eo - Eio
Il campo esterno subisce una riduzione grazie all'interazione con il materiale in un fattore chiamato κ o costante dielettrica del materiale, proprietà macroscopica dello stesso. In termini di questa quantità, il campo risultante o netto è:
E = Eo/ κ
La costante dielettrica κ è la permittività relativa del materiale, una quantità adimensionale sempre maggiore di 1 e uguale a 1 nel vuoto.
κ = ε/ εo
Oppure ε = κεo proprio come descritto all'inizio. Le unità di ε sono le stesse di εo: CDue /N.mDue di M.
L'effetto dell'inserimento di un dielettrico tra le piastre di un condensatore è quello di consentire un accumulo di cariche aggiuntive, 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 utilizzando un condensatore piatto a piastre parallele nel modo seguente: quando c'è solo aria tra le piastre, si può dimostrare che la capacità è data da:
Co = εo. Anno Domini
Dove Co è la capacità del condensatore, PER 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 visto nella sezione precedente, e quindi la nuova capacità C è proporzionale all'originale:
C = κεo. A / d = ε. Anno Domini
Il rapporto tra la capacità finale e quella iniziale è la costante dielettrica del materiale o la relativa permettività:
κ = C / Co
E l'assoluta permettività elettrica del materiale in questione è nota attraverso:
ε = εo . (C / Co)
Le misurazioni possono essere eseguite facilmente se si dispone di un multimetro in grado di misurare la capacità. Un'alternativa è misurare la tensione Vo tra le piastre del condensatore senza dielettrico e isolato dalla sorgente. Quindi viene introdotto il dielettrico e si osserva una diminuzione della tensione, il cui valore sarà V.
Allora κ = Vo / V
- Condensatore a piastre parallele piatte a separazione regolabile.
- Vite micrometrica o nonio.
- Multimetro che ha la funzione di misurare la capacità.
- Carta millimetrata.
- Scegli una separazione d tra le piastre del condensatore e con l'aiuto del multimetro misurare la capacità Co. Registra la coppia di dati in una tabella di valori.
- Ripetere la procedura precedente per almeno 5 separazioni di piastre.
- Trova il quoziente (Anno Domini) per ciascuna delle distanze misurate.
- Grazie per l'espressione Co = εo. Anno Domini è noto che Co è proporzionale al quoziente (Anno Domini). Traccia ogni valore di Co con il rispettivo valore di Anno Domini.
- Regola visivamente la linea migliore e determina la sua pendenza. Oppure trova la pendenza utilizzando la regressione lineare. Il valore della pendenza è la permettività dell'aria.
La separazione tra le piastre non deve superare i 2 mm circa, poiché l'equazione per la capacità del condensatore a piastre piatte parallele assume piastre infinite. Tuttavia, questa è un'approssimazione abbastanza buona, poiché il lato delle piastre è sempre molto maggiore della separazione tra di loro..
In questo esperimento viene determinata la permettività dell'aria, che è abbastanza vicina a quella del vuoto. La costante dielettrica del vuoto è κ = 1, mentre quella dell'aria secca è κ = 1.00059.
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