O que é permissividade elétrica? (Com experiência) - Ciência - 2023

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o permissividade elétrica é o parâmetro que quantifica a resposta de um meio à presença de um campo elétrico. É denotado pela letra grega ε e seu valor para o vácuo, que serve de referência para as outras mídias, é o seguinte:ε_ou = 8,8541878176 x 10^-12 C² /N.m²

A natureza do meio dá uma resposta particular aos campos elétricos. Desta forma, a temperatura, a umidade, o peso molecular, a geometria das moléculas constituintes, os esforços mecânicos no interior influenciam ou que haja alguma direção preferencial no espaço em que a existência de campo seja facilitada.

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 em função da permeabilidade do vácuo ε_ou usando a expressão:

ε = κε_ou

Onde κ é a permeabilidade relativa do material, também chamada constante dielétrica, uma quantidade adimensional que foi determinada experimentalmente para muitos materiais. Uma forma de realizar esta medição será explicada posteriormente.

Dielétricos e capacitores

Um dielétrico é um material que não conduz bem a eletricidade, por isso pode ser usado como isolante. No entanto, isso não impede que o material seja capaz de responder a um campo elétrico externo, criando o seu próprio.

A seguir, analisaremos a resposta de materiais dielétricos isotrópicos, como vidro, cera, papel, porcelana e algumas gorduras comumente utilizadas em eletrônica.

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

Os dielétricos, ao contrário de condutores como o cobre, não possuem cargas livres que podem se mover dentro do material. Suas moléculas constituintes são eletricamente neutras, mas as cargas podem mudar ligeiramente. Dessa forma, eles podem ser modelados como dipolos elétricos.

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

Dielétrico em um campo elétrico externo

Quando o dielétrico é introduzido no meio de um campo externo, por exemplo aquele criado dentro de duas lâminas condutoras, os dipolos se reorganizam e as cargas se separam, criando um campo elétrico interno no material na direção oposta ao campo externo. .

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

Esta polarização induzida faz com que a rede ou 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 direções opostas. A magnitude de E É dado por:

E = E_ou - E_Eu

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

E = E_ou/κ

A constante dielétrica κ é a permissividade relativa do material, uma quantidade adimensional sempre maior que 1 e igual a 1 no vácuo.

κ = ε/ε_ou

Ou ε = κε_ou tal como descrito no início. As unidades de ε são iguais às de ε_ou: C² /N.m² de M.

Medição de permissividade elétrica

O efeito da inserção de um dielétrico entre as placas de um capacitor é permitir o armazenamento de cargas adicionais, ou seja, um aumento da 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 comprovar que a capacidade é dada por:

C_ou = ε_ou. De Anúncios

Onde C_ou é a capacitância do capacitor, PARA é a área dos pratos e d é a distância entre eles. Mas ao inserir um dielétrico, a capacidade aumenta por um fator κ, como visto na seção anterior, e então a nova capacidade C é proporcional à original:

C = κε_ou. A / d = ε. De Anúncios

A razão entre a capacidade final e a inicial é a constante dielétrica do material ou permissividade relativa:

κ = C / C_ou

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

ε = ε_ou . (C / C_ou)

As medições podem ser facilmente realizadas se você tiver um multímetro capaz de medir a capacitância. Uma alternativa é medir a tensão Vo entre as placas do capacitor sem dielétrico e isoladas da fonte. Em seguida, o dielétrico é introduzido e uma diminuição da tensão é observada, cujo valor será V.

Então κ = V_ou / V

Experiência para medir a permissividade elétrica do ar

-Materiais

- Condensador de placa plana paralela com espaçamento ajustável.

- Parafuso micrométrico ou vernier.

- Multímetro que tem a função de medir a capacidade.

- Papel gráfico.

-Processo

- Escolha uma separação d entre as placas do capacitor e com a ajuda do multímetro meça a capacidade C_ou. Registre o par de dados em uma tabela de valores.

- Repita o procedimento acima para pelo menos 5 separações de placas.

- Encontre o quociente (De Anúncios) para cada uma das distâncias medidas.

- Graças à expressão C_ou = ε_ou. De Anúncios sabe-se que C_ou é proporcional ao quociente (De Anúncios) Trace em papel milimetrado cada valor de C_ou com seu respectivo valor de De Anúncios.

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

Importante

O espaçamento entre as placas não deve ultrapassar cerca de 2 mm, uma vez que a equação para a capacitância do capacitor de placa plana paralela assume placas infinitas. No entanto, esta é uma aproximação bastante boa, uma vez que o lado das placas é sempre muito maior do que a separação entre elas.

Neste experimento, a permissividade do ar é determinada, que é bastante próxima à do vácuo. A constante dielétrica do vácuo é κ = 1, enquanto a do ar seco é κ = 1,00059.

Referências

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Figueroa, Douglas. 2007. Série de Física para Ciência e Engenharia. Volume 5 Interação elétrica. 2ª Edição. 213-215.
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Sears, Zemansky. 2016. Física Universitária com Física Moderna. 14^º. Ed. 797-806.