APAKAH PERMITIVITAS LISTRIK ITU? (DENGAN EKSPERIMEN) - FISIK - 2025

The permitivitas listrik adalah parameter yang mengkuantifikasi respon dari media di hadapan medan listrik. Ini dilambangkan dengan huruf Yunani ε dan nilainya 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 respons tertentu terhadap medan listrik. Dengan cara ini, suhu, kelembapan, berat molekul, geometri molekul penyusun, tekanan mekanis memengaruhi interior, atau ada beberapa arah preferensial di ruang tempat keberadaan medan difasilitasi.

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

Dalam kasus terakhir, bahan tersebut dikatakan memiliki anisotropi. Dan ketika tidak ada arah yang disukai, material dianggap isotropik. Permeabilitas media homogen apa pun dapat dinyatakan sebagai fungsi permeabilitas vakum ε _atau dengan ungkapan:

ε = κε _atau

Di mana κ adalah permeabilitas relatif material, juga disebut konstanta dielektrik, kuantitas tak berdimensi yang telah ditentukan secara eksperimental untuk banyak material. Cara untuk melakukan pengukuran ini akan dijelaskan nanti.

Dielektrik dan Kapasitor

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

Berikut ini kami 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 di antara dua lembaran logam dari kapasitor pelat paralel datar.

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

Sebuah dipol netral secara elektrik, tetapi muatan positif berjarak kecil dari muatan negatif. Di dalam bahan dielektrik dan jika tidak ada medan listrik eksternal, dipol biasanya didistribusikan secara acak, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

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

Dielektrik dalam medan listrik eksternal

Ketika dielektrik dimasukkan di tengah-tengah bidang eksternal, misalnya yang dibuat di dalam dua lembar konduktif, dipol diatur ulang dan muatannya terpisah, menciptakan medan listrik internal pada material dalam arah yang berlawanan dengan medan eksternal. .

Ketika terjadi perpindahan ini, material dikatakan terpolarisasi.

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

Polarisasi yang diinduksi ini menyebabkan net 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:

Medan luar mengalami reduksi berkat interaksi dengan material dalam faktor yang disebut κ atau konstanta dielektrik material, properti makroskopis yang sama. Dalam hal kuantitas ini, bidang yang dihasilkan atau bersih adalah:

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

Baik ε = κε _atau seperti yang dijelaskan di awal. Satuan ε sama dengan satuan ε _o : C ² / Nm ² atau F / m.

Pengukuran permitivitas listrik

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

Dimungkinkan untuk mengukur konstanta dielektrik suatu material menggunakan kapasitor pelat paralel datar dengan cara berikut: ketika hanya ada udara di antara pelat, dapat ditunjukkan bahwa kapasitas diberikan oleh:

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

C = κε _atau . A / d = ε. A / d

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

κ = C / C _atau

Dan permitivitas listrik absolut dari bahan tersebut diketahui melalui:

ε = ε _o . (C / C _o )

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 dimasukkan dan penurunan tegangan diamati, yang nilainya adalah V.

Kemudian κ = V _atau / V

Eksperimen untuk mengukur permitivitas listrik udara

-Bahan

- Kondensor pelat datar paralel dengan jarak yang dapat disesuaikan.

- Sekrup mikrometri atau vernier.

- Multimeter yang berfungsi sebagai pengukur kapasitas.

- Kertas grafik.

-Proses

- Pilih pemisah d antara pelat kapasitor dan dengan bantuan multimeter ukur kapasitas C _o . Rekam pasangan data dalam tabel nilai.

- Ulangi prosedur di atas untuk setidaknya 5 pemisahan pelat.

- Tentukan hasil bagi (A / d) untuk setiap jarak yang diukur.

- Berkat ekspresi C _o = ε _o . A / d diketahui bahwa C _o sebanding dengan hasil bagi (A / d). Plot setiap nilai C _atau nilai A / d masing-masing di atas kertas grafik .

- Sesuaikan garis terbaik secara visual dan tentukan kemiringannya. Atau temukan kemiringan menggunakan regresi linier. Nilai kemiringan adalah nilai permitivitas udara.

Penting

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

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

Referensi

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