Qu'est-ce que l'électricité? (Avec expérience)

La Allocation électrique C'est le paramètre qui quantifie la réponse d'un milieu à la présence d'un champ électrique. Il est désigné avec la lettre grecque ε et sa valeur pour le vide, qui sert de référence pour l'autre moyen, est la suivante: ε_soit = 8 8541878176 x 10^-12  C² / N.m² 

La nature du médium lui donne une réponse particulière aux champs électriques. De cette façon, la température, l'humidité, le poids moléculaire, la géométrie des molécules constituantes, les tensions mécaniques à l'intérieur ou qu'il y a une direction préférentielle dans l'espace dans lequel l'existence du champ est facilitée.

Figure 1. L'air devient un conducteur au-dessus d'une certaine tension. Source: Pixabay.

Dans ce dernier cas, il est dit que le matériel se présente Anisotropie. Et quand aucune direction n'est préférentielle, le matériau est considéré isotrope. La perméabilité de tous les moyens homogènes peut être exprimé en fonction de la perméabilité du vide ε_soit Par l'expression:

ε = κε_soit

Où κ est la perméabilité relative du matériau, également appelé Constante diélectrique, une quantité sans dimension qui a été déterminée expérimentalement pour de nombreux matériaux. Plus tard, un moyen d'effectuer cette mesure sera expliqué.

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Diélectrique et condensateurs

Un diélectrique est un matériau qui ne conduit pas bien l'électricité, il peut donc être utilisé comme isolant. Cependant, cela n'empêche pas le matériel de répondre à un champ électrique externe, créant le sien.

Dans ce qui suit, nous analyserons la réponse des matériaux diélectriques isotropes tels que le verre, la cire, le papier, la porcelaine et certaines graisses couramment utilisées en électronique.

Un champ électrique externe au diélectrique peut être créé entre deux feuilles métalliques d'un condensateur de plaque plate.

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Diélectrique, contrairement aux conducteurs comme le cuivre, manquent de charges libres qui peuvent être déplacées à l'intérieur du matériau. Les molécules qui les constituent sont électriquement neutres, mais les charges peuvent se déplacer légèrement. De cette façon, ils peuvent être modélisés comme des dipôles électriques.

Un dipôle est électriquement neutre, mais la charge positive est séparée à une petite distance de la charge négative. Dans le matériau diélectrique et en l'absence d'un champ électrique externe, les dipôles sont généralement distribués au hasard, comme le montrent la figure 2.

Figure 2. Dans un matériau diélectrique, les dipôles sont orientés au hasard. Source: auto-faite.

Diélectrique dans un champ électrique externe

Lorsque le diélectrique est introduit au milieu d'un champ externe, par exemple celui qui est créé à l'intérieur de deux feuilles conductrices, les dipôles sont réorganisés et les charges sont séparées, créant un champ électrique interne dans le matériau dans la direction opposée à l'extérieur externe champ.

Lorsque ce déplacement se produit, il est dit que le matériau est Polarisé.

figure 3. Matériau diélectrique polarisé. Source: auto-faite.

Cette polarisation induite provoque le champ électrique net ou résultant ET Diminuer, effet illustré à la figure 3, puisque le champ externe et le champ interne généré par ladite polarisation, ont la même direction mais les sens opposés. L'ampleur de ET Il est donné par:

E = e_soit - ET_Toi

Le champ externe subit une réduction grâce à l'interaction avec le matériau dans un facteur appelé κ ou constante diélectrique du matériau, une propriété macroscopique de la même. En termes de ce montant, le champ résultant ou net est:

E = e_soit/ κ

La constante diélectrique κ est l'allocation relative du matériau, une quantité sans dimension toujours supérieure à 1 et égale à 1 dans le vide.

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κ = ε/ ε_soit

Ou ε = κε_soit Comme décrit au début. Les unités de ε sont les mêmes que celles de ε_soit: C² / N.m² de m.

Mesure de l'allocation électrique

L'effet de l'insertion d'un diélectrique entre les plaques d'un condenseur est de permettre un stockage de charge supplémentaire, c'est-à-dire une augmentation de la capacité. Ce fait a été découvert par Michael Faraday au 19e siècle.

Il est possible de mesurer la constante diélectrique d'un matériau à l'aide d'un condensateur à plaque plat parallèle comme suit: Lorsqu'il n'y a que de l'air entre les plaques, il peut être démontré que la capacité est donnée par:

C_soit = ε_soit. Publicité

Où C_soit C'est la capacité du condensateur, POUR C'est la zone des assiettes et d est la distance entre eux. Mais lors de l'insertion d'un diélectrique, la capacité augmente dans un facteur κ, comme on le voit dans la section précédente, puis la nouvelle capacité C est proportionnelle à l'original:

C = κε_soit. A / d = ε. Publicité

La raison entre la capacité finale et la capacité initiale est la constante diélectrique du matériau ou de l'allocation relative:

κ = C / C_soit 

Et l'allocation électrique absolue du matériel en question est connue à travers:

ε = ε_soit .  (C / c_soit)

Les mesures peuvent être facilement effectuées si un multimètre capable de mesurer une capacité est disponible. Une alternative consiste à mesurer la tension VO entre les plaques de condenseur sans diélectrique et isolée de la source. Le diélectrique est ensuite introduit et une diminution de la tension est observée, dont la valeur sera V.

Alors κ = V_soit / V

Expérimentez pour mesurer l'allocation électrique de l'air

-Matériaux

- Plaques plates Condenseur Séparation réglable parallèle.

- Vis micrométrique ou vernier.

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- Multimètre qui a la fonction de mesurer la capacité.

- Papier graphique.

-Procédure

- Choisissez une séparation d Parmi les plaques de condenseur et avec l'aide du multimètre, mesure la capacité C_soit. Notez le couple de données dans un tableau de valeurs.

- Répétez la procédure précédente pour au moins 5 séparations des plaques.

- Trouvez le quotient (PUBLICITÉ) Pour chacune des mesures mesurées.

- Merci à l'expression C_soit = ε_soit. Publicité On sait que c_soit Il est proportionnel au quotient (Publicité). Graphique sur papier millimétrique chaque valeur de C_soit avec leur valeur respective de Publicité.

- Ajustez visuellement la meilleure ligne et déterminez votre pente. Ou trouvez la pente par régression linéaire. La valeur de la pente est l'allocation de l'air.

Important

La séparation entre les plaques ne doit pas dépasser environ 2 mm, car l'équation de la capacité du condensateur à plaque plate parallèle est des plaques infinies. Cependant, c'est une assez bonne approche, car le côté des plaques est toujours beaucoup plus grand que la séparation entre eux.

Cette expérience détermine l'allocation de l'air, qui est assez proche de celle du vide. La constante diélectrique du vide est κ = 1, tandis que l'air sec est κ = 1.00059.

Les références

1. Diélectrique. Constante diélectrique. Récupéré de: électriciens.CL.
2. Figueroa, Douglas. 2007. Série physique pour la science et l'ingénierie. Volume 5 Interaction électrique. 2e. Édition. 213-215.
3. Laboratori d'Electrictat I Magnétisme (UPC). Indemnité relative d'un matériau. Récupéré de: Elaula.est.
4. MONGE, M. Diélectrique. Champ électrostatique. Université Carlos III de Madrid. Récupéré de: OCW.Uc3m.est.
5. Sears, Zemansky. 2016. Physique universitaire avec physique moderne. 14^e. Élégant. 797 - 806.