ما هي السماحية الكهربائية؟ (مع التجربة) - جسدي - بدني - 2025

و السماحية الكهربائية هي المعلمة يحدد مقدار استجابة من وسيلة في وجود مجال كهربائي. يشار إليها بالحرف اليوناني ε وقيمتها للفراغ ، والتي تعمل كمرجع للوسائط الأخرى ، هي كما يلي: ε _o = 8.8541878176 x 10 ^-12 C ² / Nm ²

تمنحه طبيعة الوسط استجابة خاصة للمجالات الكهربائية. بهذه الطريقة ، درجة الحرارة ، الرطوبة ، الوزن الجزيئي ، هندسة الجزيئات المكونة ، الضغوط الميكانيكية تؤثر على الداخل ، أو أن هناك بعض الاتجاه التفضيلي في الفضاء الذي يسهل فيه وجود مجال.

الشكل 1. يصبح الهواء موصلًا فوق جهد معين. المصدر: Pixabay.

في الحالة الأخيرة ، يقال أن المادة لها تباين الخواص. وعندما لا يكون أي من الاتجاهين تفضيليًا ، تُعتبر المادة متناحرة. يمكن التعبير عن نفاذية أي وسيط متجانس كدالة لنفاذية الفراغ _أو بالتعبير:

ε = κε _أو

حيث κ هي النفاذية النسبية للمادة ، وتسمى أيضًا ثابت العزل الكهربائي ، وهي كمية بلا أبعاد تم تحديدها تجريبيًا للعديد من المواد. سيتم شرح طريقة إجراء هذا القياس لاحقًا.

العوازل والمكثفات

المادة العازلة هي مادة لا توصل الكهرباء بشكل جيد ، لذا يمكن استخدامها كعازل. ومع ذلك ، فإن هذا لا يمنع المادة من أن تكون قادرة على الاستجابة لمجال كهربائي خارجي ، مما يخلق مجالًا خاصًا بها.

في ما يلي سنقوم بتحليل استجابة المواد العازلة الخواص مثل الزجاج والشمع والورق والخزف وبعض الدهون التي يشيع استخدامها في الإلكترونيات.

يمكن إنشاء مجال كهربائي خارجي للعزل بين لوحين معدنيين لمكثف لوحة متوازية مسطحة.

العوازل ، على عكس الموصلات مثل النحاس ، تفتقر إلى الشحنات المجانية التي يمكن أن تتحرك داخل المادة. الجزيئات المكونة لها محايدة كهربائيًا ، لكن الشحنات يمكن أن تتغير قليلاً. وبهذه الطريقة يمكن نمذجتها على أنها ثنائيات أقطاب كهربائية.

ثنائي القطب متعادل كهربائيًا ، لكن الشحنة الموجبة هي مسافة صغيرة من الشحنة السالبة. داخل المادة العازلة وفي حالة عدم وجود مجال كهربائي خارجي ، عادة ما يتم توزيع ثنائيات الأقطاب بشكل عشوائي ، كما هو موضح في الشكل 2.

الشكل 2. في مادة عازلة ، يتم توجيه ثنائيات الأقطاب بشكل عشوائي. المصدر: عصامي.

عازل في مجال كهربائي خارجي

عندما يتم إدخال العازل في منتصف مجال خارجي ، على سبيل المثال الحقل الذي تم إنشاؤه داخل لوحين موصلين ، فإن ثنائيات الأقطاب تعيد تنظيم وتفصل الشحنات ، مما يؤدي إلى إنشاء مجال كهربائي داخلي في المادة في الاتجاه المعاكس للحقل الخارجي..

عندما يحدث هذا الإزاحة ، يقال أن المادة مستقطبة.

الشكل 3. مادة عازلة مستقطبة. المصدر: عصامي.

يؤدي هذا الاستقطاب المستحث إلى انخفاض صافي المجال الكهربائي أو الناتج E ، وهو تأثير موضح في الشكل 3 ، نظرًا لأن المجال الخارجي والحقل الداخلي الناتج عن الاستقطاب المذكور لهما نفس الاتجاه ولكن في اتجاهين متعاكسين. يتم إعطاء حجم E من خلال:

يخضع المجال الخارجي للتخفيض بفضل التفاعل مع المادة في عامل يسمى κ أو ثابت العزل للمادة ، وهي خاصية ماكروسكوبية لها. من حيث هذه الكمية ، يكون الحقل الناتج أو الحقل الصافي هو:

ثابت العزل هو السماحية النسبية للمادة ، وهي كمية بلا أبعاد دائمًا أكبر من 1 وتساوي 1 في الفراغ.

إما ε = κε _أو كما هو موضح في البداية. وحدات ε هي نفسها وحدات ε _o: C ² / Nm ² أو F / m.

قياس السماحية الكهربائية

إن تأثير إدخال عازل بين ألواح المكثف هو السماح بتخزين شحنات إضافية ، أي زيادة السعة. اكتشف مايكل فاراداي هذه الحقيقة في القرن التاسع عشر.

من الممكن قياس ثابت العزل الكهربائي لمادة باستخدام مكثف ذو لوحة متوازية مسطحة بالطريقة التالية: عندما يكون هناك هواء فقط بين الألواح ، يمكن إثبات أن السعة تعطى من خلال:

حيث C _o هي سعة المكثف ، A هي مساحة الألواح و d هي المسافة بينهما. ولكن عند إدخال مادة عازلة ، تزداد السعة بمعامل κ ، كما رأينا في القسم السابق ، ثم تتناسب السعة الجديدة C مع الأصل:

C = κε _أو. أ / د = ε. ميلادي

النسبة بين السعة النهائية والأولية هي ثابت العزل للمادة أو السماحية النسبية:

κ = C / C _أو

والسماحية الكهربائية المطلقة للمادة المعنية معروفة من خلال:

ε = ε _س. (C / C _o)

يمكن إجراء القياسات بسهولة إذا كان لديك مقياس متعدد قادر على قياس السعة. البديل هو قياس الجهد Vo بين ألواح المكثف بدون عازل ومعزول عن المصدر. ثم يتم إدخال العازل الكهربائي ويلاحظ انخفاض في الجهد ، وستكون قيمته V.

ثم κ = V _أو / V.

تجربة لقياس السماحية الكهربائية للهواء

-المواد

- مكثف ذو لوحة مسطحة متوازية قابلة للتعديل.

- برغي ميكرومتر أو رنيه.

- مقياس متعدد له وظيفة قياس السعة.

- ورقة الرسم البياني.

-معالجة

- اختر فاصل د بين ألواح المكثف وبمساعدة المتر المتعدد قياس السعة C _o. سجل زوج البيانات في جدول قيم.

- كرر الإجراء أعلاه لما لا يقل عن 5 فواصل للألواح.

- أوجد حاصل القسمة (A / d) لكل من المسافات المقاسة.

- بفضل التعبير C _o = ε _o. A / d من المعروف أن C _o يتناسب مع حاصل القسمة (A / d). ارسم كل قيمة C _أو قيمة A / d الخاصة بها على ورق الرسم البياني.

- ضبط أفضل خط بصريًا وتحديد ميله. أو ابحث عن المنحدر باستخدام الانحدار الخطي. قيمة المنحدر هي سماحية الهواء.

مهم

يجب ألا يتجاوز التباعد بين الألواح حوالي 2 مم ، لأن معادلة سعة مكثف اللوحة المسطحة المتوازية تفترض وجود ألواح لا نهائية. ومع ذلك ، يعد هذا تقديرًا تقريبيًا جيدًا إلى حد ما ، نظرًا لأن جانب اللوحات دائمًا أكبر بكثير من المسافة الفاصلة بينهما.

في هذه التجربة ، يتم تحديد سماحية الهواء ، وهي قريبة جدًا من سماحية الفراغ. ثابت العزل للفراغ هو κ = 1 ، بينما ثابت الهواء الجاف هو κ = 1.00059.

المراجع

1. عازل. ثابت العزل الكهربائي. تم الاسترجاع من: electricistas.cl.
2. فيغيروا ، دوغلاس. 2007. سلسلة الفيزياء للعلوم والهندسة. المجلد 5 التفاعل الكهربائي. الثاني. الإصدار. 213-215.
3. مختبرات الكهرباء والمغناطيسية (UPC). السماحية النسبية للمادة. تم الاسترجاع من: elaula.es.
4. مونج ، م. عوازل. مجال الكهرباء الساكنة. جامعة كارلوس الثالث بمدريد. تم الاسترجاع من: ocw.uc3m.es.
5. سيرز ، زيمانسكي. 2016. الفيزياء الجامعية مع الفيزياء الحديثة. الرابع ^عشر. إد 797-806.