Cel dydaktyczny
- opisywać wpływ obecności dielektryka na pojemność elektryczną i inne właściwości kondensatora;
- obliczać pojemność elektryczną kondensatora z dielektrykiem.
Jak wspominaliśmy wcześniej, materiał izolujący, którym najczęściej jest dielektryk, umieszcza się pomiędzy okładkami kondensatora. Jego obecność wpływa na pojemność elektryczną. Aby zrozumieć dlaczego, przyjrzyjmy się eksperymentowi przedstawionemu na Ilustracji 8.17. Na początku kondensator próżniowy o pojemności jest ładowany przez akumulator do napięcia . Po całkowitym naładowaniu kondensatora akumulator zostaje odłączony. Na okładkach zgromadzony jest ładunek , a różnica potencjałów między nimi wynosi . Teraz wyobraźmy sobie, że do kondensatora wsuwamy dielektryk, który całkowicie wypełnia przestrzeń między okładkami. Po takim zabiegu napięcie wskazywane przez woltomierz spadnie do wartości . Można je zapisać jako ułamek napięcia początkowego , stosując współczynnik
Występująca w tym równaniu stała nazywana jest względną przenikalnością elektryczną (ang. dielectric constant), dawniej stałą dielektryczną materiału i zależy od rodzaju zastosowanego dielektryka. W następnym podrozdziale szczegółowo wyjaśnimy, dlaczego obecność dielektryka zmniejsza napięcie. Różne dielektryki mają różne względne przenikalności elektryczne (w następnym podrozdziale podamy tabelę wartości dla typowych dielektryków). Po odłączeniu akumulatora ładunek nie może przepływać z okładek kondensatora do akumulatora. Wsunięcie dielektryka nie może więc mieć wpływu na ładunek zgromadzony na okładkach – nadal równa się on . Pojemność elektryczna kondensatora z dielektrykiem musi więc wynosić
Powyższe równanie wskazuje, że pojemność elektryczna pustego kondensatora (kondensatora próżniowego) zwiększa się o czynnik , kiedy całą przestrzeń pomiędzy okładkami wypełnia dielektryk. Zauważmy, że Równanie 8.11 jest prawdziwe także dla kondensatora z próżnią, kiedy przyjmiemy . Oznacza to, że względna przenikalność elektryczna określa, ile razy przenikalność elektryczna danego materiału jest większa od przenikalności elektrycznej próżni.
Zasada wyrażona w Równaniu 8.11 znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle budowlanym (Ilustracja 8.18). Metalowe płytki w wykrywaczu profili działają jak okładki kondensatora. Wykrywacz przykłada się płaską stroną do ściany i przesuwa w kierunku poziomym. Kiedy urządzenie znajdzie się nad drewnianym słupkiem konstrukcyjnym, pojemność elektryczna kondensatora się zmienia, ponieważ drewno ma inną przenikalność elektryczną niż gipsowa ściana. Zmiana ta uruchamia sygnalizator, co pozwala wykryć słupek.
Dielektryk wpływa również na energię elektryczną zgromadzoną w kondensatorze. Jeśli w kondensatorze próżniowym gromadzi się energia , to w takim samym kondensatorze z dielektrykiem zgromadzi się energia pomniejszona o czynnik
Kiedy do naładowanego kondensatora próżniowego zbliżymy dielektryk, wówczas zareaguje on na pole elektryczne wytwarzane przez ładunki zgromadzone na okładkach. Tak jak dowiedzieliśmy się z rozdziału Ładunki i pola elektryczne, na powierzchni próbki indukują się ładunki. Nie są to jednak ładunki swobodne, jak w przewodniku, ponieważ w idealnym izolatorze takie nie występują. Ładunki indukowane na powierzchni dielektryka mają znak przeciwny do znaku ładunków swobodnych na sąsiadujących okładkach kondensatora. W rezultacie dielektryk jest wciągany między okładki, a energia potrzebna do wykonania pracy przy polaryzacji dielektryka między okładkami pochodzi ze zgromadzonej energii elektrycznej. Energia maleje więc zgodnie z Równaniem 8.12.
Przykład 8.10
Dielektryk wsunięty do izolowanego kondensatora
Kondensator próżniowy o pojemności naładowano do różnicy potencjałów . Następnie akumulator odłączono, a całą przestrzeń między okładkami wypełniono kawałkiem teflonu o względnej przenikalności elektrycznej (Ilustracja 8.17). Jakie są wartości początkowe i końcowe- pojemności elektrycznej;
- ładunku na okładkach;
- różnicy potencjałów między okładkami;
- energii zgromadzonej w kondensatorze?
Strategia rozwiązania
Wiemy, że początkowa pojemność elektryczna to , a początkowa różnica potencjałów między okładkami to . Wykorzystujemy Równanie 8.11 i inne wzory, w których występuje pojemność elektryczna, a następnie podstawiamy dane.Rozwiązanie
- Pojemność elektryczna wzrasta do
- Bez dielektryka ładunek na okładkach wynosi Ponieważ akumulator został odłączony przed wsunięciem dielektryka, ładunek na okładkach pozostaje bez zmian na poziomie .
- Po wsunięciu dielektryka różnica potencjałów wynosi
- Energia zgromadzona w kondensatorze bez dielektryka wynosi Z Równania 8.12 obliczamy, że energia zgromadzona w kondensatorze z wsuniętym dielektrykiem spada do
Znaczenie
Zauważmy, że obecność dielektryka znacznie zwiększa pojemność elektryczną. Efekt ten jest znacznie silniejszy niż przy zmianie geometrii kondensatora.Sprawdź, czy rozumiesz 8.7
Kiedy do izolowanego, naładowanego kondensatora wsunięto dielektryk, energia zgromadzona między okładkami spadła do wartości początkowej.
- Jaka jest względna przenikalność elektryczna dielektryka?
- Jak zmieniła się pojemność elektryczna kondensatora?