O que é eletricidade? (Com experimento)

O Subsídio elétrico É o parâmetro que quantifica a resposta de um meio à presença de um campo elétrico. É indicado com a letra grega ε e seu valor para o vazio, que serve como referência para os outros meios, é o seguinte: ε_qualquer = 8.8541878176 x 10^-12  C² /N.m² 

A natureza do meio lhe dá uma resposta particular aos campos elétricos. Dessa maneira, a temperatura, a umidade, o peso molecular, a geometria das moléculas constituintes, as tensões mecânicas dentro ou que há alguma direção preferencial no espaço em que a existência do campo é facilitada.

figura 1. O ar se torna um motorista acima de uma certa tensão. Fonte: Pixabay.

Neste último caso, diz -se que o material apresenta Anisotropia. E quando nenhuma direção é preferencial, o material é considerado isotrópico. A permeabilidade de qualquer meio homogêneo pode ser expressa com base na permeabilidade do vácuo ε_qualquer Através da expressão:

ε = κε_qualquer

Onde κ é a permeabilidade relativa do material, também chamado Constante dielétrica, uma quantidade adimensional que foi determinada experimentalmente para vários materiais. Mais tarde uma maneira de realizar esta medição será explicada.

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Dielétrico e capacitores

Um dielétrico é um material que não conduz bem a eletricidade, para que possa ser usado como isolante. No entanto, isso não impede que o material responda a um campo elétrico externo, criando seu próprio.

A seguir, analisaremos a resposta de materiais dielétricos isotrópicos, como vidro, cera, papel, porcelana e algumas gorduras que são comumente usadas em eletrônicos.

Um campo elétrico externo ao dielétrico pode ser criado entre duas folhas de metal de um capacitor de placa plana.

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Dielétrico, diferentemente dos motoristas como o cobre, carecem de cargas livres que podem ser movidas para dentro do material. As moléculas que as constituem são eletricamente neutras, mas as cargas podem se mover um pouco. Dessa forma, eles podem ser modelados como dipolos elétricos.

Um dipolo é eletricamente neutro, mas a carga positiva é separada a uma pequena distância da carga negativa. Dentro do material dielétrico e na ausência de um campo elétrico externo, os dipolos geralmente são distribuídos aleatoriamente, como pode ser visto na Figura 2.

Figura 2. Em um material dielétrico, os dipolos são orientados aleatoriamente. Fonte: Self feito.

Dielétrico em um campo elétrico externo

Quando o dielétrico é introduzido no meio de um campo externo, por exemplo, aquele que é criado dentro de duas folhas condutivas, os dipolos são reorganizados e as cargas são separadas, criando um campo elétrico interno no material na direção oposta ao externo campo.

Quando esse deslocamento ocorre, diz -se que o material é Polarizado.

Figura 3. Material dielétrico polarizado. Fonte: Self feito.

Esta polarização induzida causa a rede ou o campo elétrico resultante E Diminuição, efeito mostrado na Figura 3, uma vez que o campo externo e o campo interno gerado pela referida polarização, têm a mesma direção, mas os sentidos opostos. A magnitude de E É dado por:

E = e_qualquer - E_Yo

O campo externo experimenta uma redução graças à interação com o material em um fator chamado κ ou constante dielétrica do material, uma propriedade macroscópica do mesmo. Em termos deste valor, o campo resultante ou líquido é:

E = e_qualquer/κ

A constante dielétrica κ é o subsídio relativo do material, uma quantidade adimensional sempre maior que 1 e igual a 1 em um vácuo.

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κ = ε/ε_qualquer

Ou ε = κε_qualquer conforme descrito no início. As unidades de ε são as mesmas que as de ε_qualquer: C² /N.m² de m.

Medição de subsídio elétrico

O efeito de inserir um dielétrico entre as placas de um condensador é permitir armazenamento adicional de carga, ou seja, um aumento na capacidade. Este fato foi descoberto por Michael Faraday no século XIX.

É possível medir a constante dielétrica de um material usando um capacitor de placa plana paralela da seguinte forma: Quando há apenas ar entre as placas, pode -se demonstrar que a capacidade é dada por:

C_qualquer = ε_qualquer. De Anúncios

Onde C_qualquer É a capacidade do capacitor, PARA É a área das placas e d é a distância entre eles. Mas, ao inserir um dielétrico, a capacidade aumenta em um fator κ, como visto na seção anterior, e então a nova capacidade C C é proporcional ao original:

C = κε_qualquer. A/D = ε. De Anúncios

A razão entre a capacidade final e a inicial é a constante dielétrica do material ou subsídio relativo:

κ = c /c_qualquer 

E a doação elétrica absoluta do material em questão é conhecida por meio de:

ε = ε_qualquer .  (C / c_qualquer)

As medidas podem ser facilmente realizadas se um multímetro capaz de medir a capacitância estiver disponível. Uma alternativa é medir a tensão VO entre as placas do condensador sem dielétrico e isolado da fonte. O dielétrico é então introduzido e uma diminuição na tensão é observada, cujo valor será v.

Então κ = v_qualquer / V

Experimente para medir o subsídio elétrico do ar

-Materiais

- Placas planas condensador paralelo separação ajustável.

- Parafuso micrométrico ou vernier.

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- Multímetro que tem a função de medir capacidade.

- Papel gráfico.

-Procedimento

- Escolha uma separação d Entre as placas do condensador e com a ajuda do multímetro, medir a capacidade C_qualquer. Anote o casal de dados em uma tabela de valores.

- Repita o procedimento anterior para pelo menos 5 separações das placas.

- Encontre o quociente (DE ANÚNCIOS) Para cada uma das medidas medidas.

- Graças à expressão C_qualquer = ε_qualquer. De Anúncios Sabe -se que C_qualquer É proporcional ao quociente (De Anúncios). Gráfico em papel milímetro cada valor de C_qualquer com seu respectivo valor de De Anúncios.

- Ajuste visualmente a melhor linha e determine sua inclinação. Ou encontre a inclinação por regressão linear. O valor da inclinação é o subsídio do ar.

Importante

A separação entre as placas não deve exceder cerca de 2 mm, uma vez que a equação para a capacidade do capacitor de placa plana paralela é de placas infinitas. No entanto, essa é uma abordagem bastante boa, já que o lado das placas é sempre muito maior que a separação entre eles.

Este experimento determina o subsídio do ar, que é bastante próximo do vácuo. A constante dielétrica do vácuo é κ = 1, enquanto o ar seco é κ = 1.00059.

Referências

1. Dielétrico. Constante dielétrica. Recuperado de: eletricistas.Cl.
2. Figueroa, Douglas. 2007. Série física para ciência e engenharia. Volume 5 Interação elétrica. 2º. Edição. 213-215.
3. Laboratori d'Actelitat I Magnetisme (UPC). Subsídio relativo de um material. Recuperado de: Elaula.é.
4. Monge, m. Dielétrico. Campo eletrostático. Universidade Carlos III de Madri. Recuperado de: OCW.Uc3m.é.
5. Sears, Zemansky. 2016. Física da Universidade com Física Moderna. 14^º. Ed. 797 - 806.