Vật Lý

Hằng số điện môi là gì ? Bài tập hằng số điện môi

Hằng số điện môi là tỷ số giữa suất điện động của chất này với suất điện động của không gian tự do. Chất điện môi là vật liệu có tính dẫn điện kém nhưng có thể tích trữ điện tích do sự phân cực của chất điện môi. Do đó, chỉ hiển thị dòng dịch chuyển làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng để xây dựng tụ điện (để lưu trữ và trả lại năng lượng điện). Hằng số điện môi được ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp ‘κ’ (kappa). Hãy tham khảo với hocdientu nhé !

Hằng số điện môi κ = ε/ε 0

Hằng số điện môi là gì ? Bài tập hằng số điện môi
Hằng số điện môi là gì ? Bài tập hằng số điện môi

Hằng số điện môi là gì?

Tỷ số giữa độ cho phép của chất và độ cho phép của không gian tự do được định nghĩa là hằng số điện môi của một chất. Hằng số điện môi cho biết mức độ mà vật liệu có thể giữ Điện thông trong nó.

Nó được thể hiện như sau:

κ = ε/ε 0

Ở đâu,

κ = Hằng số điện môi

ε = Hằng số điện môi của chất

ε 0 = Hằng số điện môi của không gian trống

Hằng số điện môi là tỷ số của hai thực thể giống nhau, do đó nó là một đại lượng có đơn vị và không có thứ nguyên.

Lý thuyết về hằng số điện môi  

Hằng số điện môi là độ cho phép tương đối của chất điện môi và được viết tắt là ‘κ’ (kappa).

Hằng số điện môi là một tham số quan trọng để xác định tụ điện. Tụ điện là một loại linh kiện điện tử được sử dụng để lưu trữ điện tích. Nó có thể được cấu tạo bằng cách kẹp một tấm cách điện điện môi vào giữa các tấm dẫn kim loại .

Tụ điện

Tụ điện có thể lưu trữ điện tích hiệu quả như thế nào phụ thuộc vào lớp vật liệu điện môi. Do đó, điều quan trọng là phải chọn đúng vật liệu điện môi. Biểu thức có thể được viết dưới dạng:

κ = E o / E

Ở đây, giá trị của E 0 luôn lớn hơn hoặc bằng E.

Do đó, giá trị của hằng số điện môi luôn lớn hơn 1 .

Giá trị của κ càng lớn thì điện tích tích trữ trong tụ điện càng nhiều.

Trong tụ điện, điện dung được cho bởi:

C = κC 0

Trong bản tụ điện song song, điện dung cho bởi:

C = κε 0 A / d

Ở đây :

C = Điện dung của tụ điện bản song song

κ = Hằng số điện môi

ε 0 = hằng số điện môi không gian trống

A = Diện tích của các tấm dẫn song song

D = Ngăn cách giữa các tấm dẫn song song

Mối quan hệ giữa điện dung và hằng số điện môi

Giá trị của điện dung có thể được tăng lên bằng cách tăng giá trị của hằng số điện môi và giảm sự phân cách giữa các bản dẫn song song.

Giá trị hằng số điện môi

Bảng sau đây mô tả một số giá trị hằng số điện môi quan trọng.

Vật liệu điện môi Giá trị hằng số điện môi
Bụi 1.00
Không khí 1.00059
Nước 80
Giấy 3.6

Ảnh hưởng của điện môi đến điện dung

Giả sử có một tụ điện có các bản song song diện tích A và cách nhau một khoảng d. Bây giờ, đối với một tụ điện có điện tích Q, điện tích trên mỗi bản sẽ là + Q và –Q. Diện tích của tấm là A do đó mật độ điện tích sẽ là ± σ

σ = Q / A

Bây giờ, nếu giữa hai bản tụ điện có chân không thì thế năng trên tụ điện sẽ là:

0 = E 0 d = V 0 σ / ε 0 d

Như vậy, điện dung của tụ điện sẽ là:

0 = Q / V 0 = ε 0 A / d

Hãy để chúng tôi lấy một tụ điện khác có cùng thông số kỹ thuật như đã lấy trước đó. Chúng tôi sẽ chèn một chất điện môi vào giữa các tấm sao cho nó chiếm hoàn toàn không gian giữa các tấm. Chất điện môi bị phân cực bởi trường khi nó đi vào trường giữa các bản và các điện tích được sắp xếp để chúng hoạt động như hai tấm tích điện với mật độ điện tích bề mặt là σp và – σp.

Mật độ điện tích bề mặt thực trở nên bằng ± (σ – σp).

Điện môi bên trong tụ điện bản song song
Và, thế năng trên tụ điện sẽ là,

V = Ed = (σ – σp / ε 0 ) d

Trong trường hợp của điện môi tuyến tính, σp tỷ lệ với E0 và do đó nó tỷ lệ với σ. Do đó, chúng ta có thể nói rằng giá trị (σ – σp) cũng tỷ lệ với σ.

σ – σp = σ / K

Trong đó K là hằng số có giá trị phụ thuộc vào môi trường điện môi đã chọn.

Thế năng qua tụ điện sẽ là:

V = σd / ε 0 K = Qd / Aε 0 K

Và điện dung giữa các bản sẽ là:

C = Q / V = ​​ε 0 KA / d

Ở đây ε0K là khả năng cho phép của môi trường, cũng có thể được viết là,

ε = ε 0 K

Ở đây giá trị K là năng suất cho phép của môi trường sao cho đối với một môi trường nhất định,

K = ε / ε 0

Cho phép chân không và cho phép điện môi

Các yếu tố ảnh hưởng đến hằng số điện môi

Hằng số điện môi phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau như:

Tần số: Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến hằng số điện môi là tần số của điện áp đặt vào. Giá trị của hằng số điện môi trở nên phi tuyến tính khi tần số của điện áp đặt vào tăng lên.

Hiệu điện thế : Giá trị của hằng số điện môi giảm khi ta đặt hiệu điện thế dòng điện một chiều và tăng khi ta đặt hiệu điện thế dòng điện xoay chiều.

Nhiệt độ: Việc sắp xếp các phân tử trong vật liệu điện môi trở nên khó khăn ở nhiệt độ thấp. Nhưng khi chúng ta tăng nhiệt độ , các lưỡng cực có trong vật liệu điện môi trở nên chiếm ưu thế, dẫn đến tăng hằng số điện môi.

Độ ẩm : Độ bền của vật liệu điện môi giảm khi độ ẩm hoặc độ ẩm tăng lên.

Hiệu ứng đốt nóng : Sự mất mát chất điện môi xảy ra khi vật liệu điện môi bị đốt nóng. Sự tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt khi các phân tử trong vật liệu chuyển động khi nó tiếp xúc với điện áp xoay chiều được gọi là tổn thất điện môi.

Cấu trúc & hình thái: Hằng số điện môi cũng bị ảnh hưởng bởi cấu trúc và hình thái của vật liệu.

Những điều cần ghi nhớ

  • Hằng số điện môi là tỷ số giữa suất cho phép của chất và suất cho phép điện của không gian tự do và nó được ký hiệu là  ‘κ’ (kappa).
  • Hằng số điện môi là đại lượng không thứ nguyên.
  • Công thức cho Hằng số điện môi được cho bởi  κ = εε 0.
  • Các yếu tố ảnh hưởng đến hằng số điện môi là tần số, điện áp đặt vào, nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm, hiệu ứng gia nhiệt và cấu trúc & hình thái.

Bài tập hằng số điện môi

Câu hỏi. Sự phân cực của vật liệu điện môi là gì?  

Trả lời. Quá trình tạo ra các lưỡng cực điện bên trong chất điện môi bằng cách đặt một điện trường bên ngoài được gọi là sự phân cực của vật liệu điện môi.

Câu hỏi. Kể tên 4 cơ chế phân cực? 

Trả lời. Dưới đây là bốn cơ chế phân cực:

  • Phân cực điện tử
  • Phân cực định hướng
  • Phân cực ion
  • Phân cực điện tích không gian

Câu hỏi. Sự khác biệt giữa điện môi chủ động và thụ động là gì? 

Chất điện môi tích cực CHất điện môi thụ động
Các chất điện môi có thể dễ dàng thích ứng với việc lưu trữ năng lượng điện được gọi là chất điện môi tích cực. Các chất điện môi hạn chế việc lưu trữ năng lượng điện được gọi là chất điện môi thụ động.
Ví dụ: Áp điện Ví dụ: Kính

Câu hỏi. Hằng số điện môi của nước là gì?  

Trả lời. Hằng số điện môi của nước là 80.

Câu hỏi. Xác định hằng số điện môi của môi trường. Đơn vị của nó là gì? 

Trả lời. Chất điện môi Khi đặt tấm điện môi vào giữa các bản của tụ điện tích điện hoặc trong vùng của điện trường, một điện trường EP gây ra bên trong chất điện môi do điện tích cảm ứng trên chất điện môi có hướng ngược với hướng của điện trường bên ngoài. . Do đó, điện trường thuần bên trong chất điện môi giảm xuống £ 0 – £ P , trong đó £ 0 là điện trường bên ngoài. Tỉ số giữa điện trường ngoài và điện trường giảm được gọi là hằng số điện môi K của môi trường điện môi, nghĩa là

K = E 0 / E 0 – E P

Câu hỏi. Tụ điện bản song song là gì? 

Trả lời. Phổ biến nhất trong số tất cả các tụ điện là tụ điện bản song song. Nó bao gồm hai tấm kim loại có diện tích A và cách nhau một khoảng d chứa đầy không khí hoặc một số môi trường điện môi khác. Điện dung của bản tụ điện song song chứa đầy không khí được cho bởi 0 = ε 0 / d

Khi đổ đầy một chất điện môi có hằng số điện môi K vào giữa các bản thì C = KAε 0 / d = KC 0

Câu hỏi. Xác định độ bền điện môi của chất điện môi.  

Trả lời. Độ bền điện môi của chất điện môi là giá trị lớn nhất của điện trường tác dụng cần thiết để vật liệu điện môi bị đánh thủng.

Câu hỏi. Hình bên cho thấy hai tụ điện giống nhau C 1 và C 2 , mỗi tụ điện có điện dung 1,5 µF, được nối với pin 2 V. Ban đầu công tắc ‘S’ đóng. Sau một thời gian, chữ ‘S’ để hở và người ta đưa vào các tấm điện môi có hằng số điện môi K = 2 để lấp đầy hoàn toàn khoảng trống giữa các bản của hai tụ điện.
(I) điện tích và (ii) hiệu điện thế giữa các bản của tụ điện sẽ bị ảnh hưởng như thế
nào sau khi các bản này được lắp vào?  (3 điểm) 

Trả lời.  (i) Khi công tắc S mở và đưa chất điện môi vào thì điện tích trên mỗi tụ điện sẽ là

1 = C 1 V,

2 = C 2 V,

1 = 2CV = 2 × 1,5 × 2 = 6 µC, q 2 = 6 µC

Điện tích trên mỗi tụ điện sẽ trở thành hai lần.

(ii) Pd trên C 1 vẫn là 2V và trên C 2 ,

q = (2C) V ‘

∴V ‘= V / 2 = 2/2 = 1V

Câu hỏi. Một bản tụ điện song song được tích điện bằng một pin. Sau một thời gian ngắt điện của pin và giữa hai bản này đặt một phiến điện môi có hằng số điện môi K.
(I) điện dung,
(ii) điện trường giữa các bản tụ và (iii) năng lượng tích trữ trong tụ điện, sẽ bị ảnh hưởng như thế nào ?
Biện minh cho câu trả lời của bạn.  

Trả lời. Gọi C là điện dung và V là hiệu điện thế.

Khi đó điện tích trên các bản tụ điện sẽ là Q = CV.

Điện trường giữa các tấm,

E = V / d

và năng lượng được lưu trữ,

n = Q 2 / 2C hoặc ½ CV 

Khi chất điện môi (K) được đưa vào sau khi ngắt kết nối pin

Chúng ta có các giá trị mới của điện tích, Q ‘= Q Điện dung C’ = KC

Tiềm năng V ‘= Q / KC = V / K

(i) Điện dung mới gấp K lần điện dung ban đầu.

Đỗ Thủy Học Điện Tử

Tôi một người đam mê cung cấp kiến thức cuộc sống và kiến thức giáo dục văn học , vật lý , điện tử đến cho mọi người hãy cùng tôi tiếp nhận kiến thức mới nhé !

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Back to top button