Permitivitas listrik – apa itu, rumus, percobaan

Permitivitas listrik adalah parameter yang mengkuantifikasi respon dari media di hadapan medan listrik. Hal ini ditandai dengan huruf ε Yunani dan nilai untuk vakum, yang berfungsi sebagai referensi untuk media lain, adalah sebagai berikut: ε o = 8,8541878176 x 10 -12 C 2 / Nm 2

Sifat medium memberikan respon tertentu terhadap medan listrik. Dengan cara ini, suhu, kelembaban, berat molekul, geometri molekul penyusunnya, tekanan mekanis dalam pengaruh interior , atau bahwa ada beberapa arah preferensial dalam ruang di mana keberadaan medan difasilitasi.

Gambar 1. Udara menjadi konduktif di atas tegangan tertentu. Sumber: Pixabay.

Dalam kasus terakhir, material dikatakan memiliki anisotropi . Dan ketika tidak ada arah yang preferensial, materi dianggap isotropik . Permeabilitas media homogen apa pun dapat dinyatakan sebagai fungsi permeabilitas vakum atau dengan ekspresi:

ε = κεo

Dimana k adalah permeabilitas relatif bahan, juga disebut konstanta dielektrik , kuantitas tak berdimensi yang telah ditentukan secara eksperimental untuk banyak bahan. Cara untuk melakukan pengukuran ini akan dijelaskan kemudian.

Dielektrik dan Kapasitor

Dielektrik merupakan bahan yang tidak dapat menghantarkan listrik dengan baik, sehingga dapat digunakan sebagai isolator. Namun, ini tidak mencegah material untuk dapat merespons medan listrik eksternal, menciptakan medan listriknya sendiri.

Berikut ini kita akan menganalisis respon bahan dielektrik isotropik seperti kaca, lilin, kertas, porselen, dan beberapa lemak yang umum digunakan dalam elektronik.

Medan listrik di luar dielektrik dapat dibuat antara dua lembaran logam kapasitor pelat sejajar datar.

Dielektrik, tidak seperti konduktor seperti tembaga, tidak memiliki muatan bebas yang dapat bergerak di dalam material. Molekul penyusunnya secara elektrik netral, tetapi muatan dapat sedikit bergeser. Dengan cara ini mereka dapat dicaralkan sebagai dipol listrik.

Dipol bersifat netral secara listrik, tetapi muatan positif berada agak jauh dari muatan negatif. Di dalam bahan dielektrik dan tanpa adanya medan listrik eksternal, dipol biasanya terdistribusi secara acak, seperti dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Dalam bahan dielektrik dipol berorientasi secara acak. Sumber: buatan sendiri.

Dielektrik dalam medan listrik eksternal

Ketika dielektrik diperkenalkan di tengah medan eksternal, misalnya yang dibuat di dalam dua lembar konduktif, dipol menata ulang dan muatan terpisah, menciptakan medan listrik internal dalam material yang berlawanan arah dengan medan eksternal..

Ketika perpindahan ini terjadi, material dikatakan terpolarisasi .

Gambar 3. Bahan dielektrik terpolarisasi. Sumber: buatan sendiri.

Polarisasi induksi ini menyebabkan neto atau medan listrik yang dihasilkan E berkurang, efek yang ditunjukkan pada Gambar 3, karena medan eksternal dan medan internal yang dihasilkan oleh polarisasi tersebut memiliki arah yang sama tetapi arah yang berlawanan. Besarnya E diberikan oleh:

E = E o – E i

Medan eksternal mengalami reduksi berkat interaksi dengan material dalam suatu faktor yang disebut atau konstanta dielektrik material, suatu sifat makroskopik yang sama. Dalam hal kuantitas ini, bidang yang dihasilkan atau bersih adalah:

 E = Eo

Konstanta dielektrik adalah permitivitas relatif bahan, kuantitas tak berdimensi selalu lebih besar dari 1 dan sama dengan 1 dalam ruang hampa.

κ = εo  

O atau ε = κεo seperti yang dijelaskan di awal. Satuan sama dengan εo : C 2 / Nm 2 atau F / m.

Pengukuran permitivitas listrik

Efek penyisipan dielektrik di antara pelat kapasitor adalah untuk memungkinkan penyimpanan muatan tambahan, yaitu peningkatan kapasitas. Fakta ini ditemukan oleh Michael Faraday pada abad ke-19.

Konstanta dielektrik suatu bahan dapat diukur menggunakan kapasitor pelat sejajar datar dengan cara berikut: bila hanya ada udara di antara pelat, dapat ditunjukkan bahwa kapasitasnya diberikan oleh:

Co = εo. A/d

Di mana C o adalah kapasitansi kapasitor, A adalah luas pelat dan d adalah jarak di antara mereka. Tetapi ketika memasukkan dielektrik, kapasitas meningkat dengan faktor, seperti yang terlihat pada bagian sebelumnya, dan kemudian kapasitas baru C sebanding dengan aslinya:

C = κεo. atau = ε. A/d

Rasio antara kapasitas akhir dan kapasitas awal adalah konstanta dielektrik bahan atau permitivitas relatif:

κ = C /C

Dan permitivitas listrik absolut dari bahan yang bersangkutan diketahui melalui:

ε = εo .  (C / Co)

Pengukuran dapat dengan mudah dilakukan jika Anda memiliki multimeter yang mampu mengukur kapasitansi. Alternatifnya adalah mengukur tegangan Vo antara pelat kapasitor tanpa dielektrik dan diisolasi dari sumbernya. Kemudian dielektrik diperkenalkan dan penurunan tegangan diamati, yang nilainya akan menjadi V.

Maka κ = Vo / V

Percobaan untuk mengukur permitivitas listrik udara

-Bahan

  • – Kondensor pelat datar paralel dengan jarak yang dapat disesuaikan.
  • – Sekrup mikrometrik atau vernier.
  • – Multimeter yang memiliki fungsi mengukur kapasitas.
  • – Kertas grafik.

-Proses

  • – Pilih separasi d antara pelat kapasitor dan dengan bantuan multimeter ukurlah kapasitas C o . Catat pasangan data dalam tabel nilai.
  • – Ulangi prosedur di atas untuk setidaknya 5 pemisahan pelat.
  • – Cari hasil bagi ( A / d) untuk setiap jarak yang diukur.
  • – Berkat ekspresi C o = o . A / d diketahui bahwa C o sebanding dengan hasil bagi ( A / d ). Plot setiap nilai C atau nilai A / d masing – masing pada kertas grafik .
  • – Sesuaikan garis terbaik secara visual dan tentukan kemiringannya. Atau cari kemiringannya menggunakan regresi linier. Nilai kemiringan adalah permitivitas udara.

Penting

Pemisahan antara pelat tidak boleh melebihi sekitar 2 mm, karena persamaan untuk kapasitansi kapasitor pelat paralel datar mengasumsikan pelat tak terbatas. Namun, ini adalah perkiraan yang cukup baik, karena sisi pelat selalu jauh lebih besar daripada jarak di antara mereka.

Dalam percobaan ini, permitivitas udara ditentukan, yang cukup dekat dengan ruang hampa. Konstanta dielektrik vakum adalah = 1, sedangkan udara kering adalah = 1.00059.

Referensi

  1. Dielektrik. Konstanta dielektrik. Dipulihkan dari: electricistas.cl.
  2. Figueroa, Douglas. 2007. Seri Fisika Sains dan Teknik. Volume 5 Interaksi Listrik. 2. Edisi. 213-215.
  3. Laboratori d’Electricitat i Magnetisme (UPC). Permitivitas Relatif suatu Material. Dipulihkan dari: elaula.es.
  4. Monge, M. Dielektrik. Medan elektrostatik. Universitas Carlos III dari Madrid. Dipulihkan dari: ocw.uc3m.es.
  5. Sears, Zemansky. 2016. Fisika Universitas dengan Fisika Modern. 14 th . Ed.797-806.

Related Posts