دی الکتریک

یک خازن می‌تواند در صورتی کار کند که دو صفحه/ورقه رسانا با یکدیگر تماس نداشته باشند تا بار الکتریکی از یک رسانا به دیگری منتقل نشود. به همین ترتیب، برای اینکه بار الکتریکی از رسانا به هوا منتقل نشود، فضای بین دو رسانا باید خلأ باشد. در مقاله مربوط به خازن‌های صفحه موازی، ظرفیت خازن صفحه موازی مورد بحث قرار گرفته است، جایی که دو صفحه توسط خلأ از هم جدا شده‌اند. ظرفیت خازن در خلأ محدودیت‌هایی دارد، بنابراین برای افزایش ظرفیت، یک دی‌الکتریک بین دو صفحه/ورقه رسانا قرار می‌گیرد.

دی‌الکتریک عایقی است که دو صفحه رسانای خازن را از هم جدا می‌کند. عایق ماده‌ای است که نمی‌تواند الکتریسیته را هدایت کند، مانند پلاستیک، شیشه، کاغذ یا چوب. وظیفه دی‌الکتریک افزایش ظرفیت خازنی است که به خازن اجازه می‌دهد مقدار زیادی بار الکتریکی و انرژی پتانسیل را ذخیره کند.

دی‌الکتریک‌ها ظرفیت خازنی را افزایش می‌دهند زیرا پتانسیل الکتریکی بین دو صفحه رسانا کاهش می‌یابد.

چرا ظرفیت خازن پس از قرار دادن دی‌الکتریک بین دو صفحه/ورقه رسانا افزایش می‌یابد؟ برای یافتن پاسخ این سوال، ابتدا درس مربوط به بار الکتریکیبارهای الکتریکی همنام یکدیگر را دفع می‌کنند در حالی که بارهای الکتریکی ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند. برای مثال، بارهای مثبت یکدیگر را جذب می‌کنند. دی الکتریک ۴با بار منفی، اما با بار مثبت دفع می‌شود. پس چرا پلاستیک با بار منفی می‌تواند تکه‌های کوچک کاغذ را که از نظر الکتریکی بار ندارند، جذب کند؟ این اتفاق می‌افتد زیرا تکه‌های کاغذ قطبش بار را تجربه می‌کنند. الکترون‌ها در مواد عایق مانند کاغذ نمی‌توانند آزادانه مانند الکترون‌ها در مواد رسانا حرکت کنند. بنابراین وقتی پلاستیک با بار منفی به تکه‌های کاغذ نزدیک می‌شود، الکترون‌های متصل به اتم‌ها از پلاستیک با بار منفی دفع می‌شوند و در نتیجه قطبش بار منفی و بار مثبت روی کاغذ ایجاد می‌شود. بار منفی روی کاغذ از پلاستیک دورتر است، در حالی که بار مثبت روی کاغذ به پلاستیک نزدیک‌تر است. علاوه بر این، بار منفی روی پلاستیک، بار مثبت روی تکه‌های کاغذ را جذب می‌کند تا زمانی که کاغذ سبک‌تر به پلاستیک نزدیک‌تر شود.

همچنین بخوانید  نظریه تقسیم مساوی انرژی

فرآیند قطبش یا قطبش بار که در یک تکه کاغذ رخ می‌دهد، مشابه قطبش بار است که در یک دی‌الکتریک رخ می‌دهد. همانطور که در تصویر سمت چپ نشان داده شده است، به عنوان مثال، در ابتدا فقط دو صفحه هادی با بار الکتریکی وجود دارد. صفحه سمت چپ دارای بار مثبت و صفحه سمت راست دارای بار منفی است، بنابراین جهت میدان الکتریکی از چپ به راست است.

پس از قرار گرفتن دی‌الکتریک بین دو صفحه رسانا، بار مثبت روی صفحه چپ، الکترون‌های سطح دی‌الکتریک مجاور را جذب می‌کند و بار منفی روی صفحه راست، الکترون‌های سطح دی‌الکتریک مجاور را دفع می‌کند. الکترون‌های موجود در دی‌الکتریک که یک عایق است، مانند الکترون‌های موجود در رسانا آزاد نیستند که حرکت کنند. بنابراین، الکترون‌ها به اتم‌ها متصل می‌مانند، اما همانطور که در تصویر نشان داده شده است، قطبش الکترون‌های با بار منفی و پروتون‌های با بار مثبت وجود دارد. وجود بار مثبت در سمت راست اتم‌های دی‌الکتریک و بار منفی در سمت چپ اتم‌های دی‌الکتریک، یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کند که از راست به چپ هدایت می‌شود و در نتیجه میدان الکتریکی تولید شده توسط بار الکتریکی روی صفحه رسانا که از چپ به راست هدایت می‌شود را تضعیف می‌کند. بنابراین میدان الکتریکی نه به این دلیل که بار الکتریکی روی دو صفحه/ورقه‌های رسانا کاهش می‌یابد، بلکه به این دلیل که یک میدان الکتریکی در دی‌الکتریک که در جهت مخالف است ظاهر می‌شود، کاهش می‌یابد. هنگامی که دی‌الکتریک برداشته می‌شود، قدرت میدان الکتریکی تولید شده توسط بار الکتریکی روی دو صفحه/ورقه‌های رسانا به حالت اولیه خود باز می‌گردد.

همچنین بخوانید  نمونه سوالات بحث سلف

دی الکتریک ۴اگر شدت میدان الکتریکی تولید شده توسط بار الکتریکی روی دو صفحه هادی کاهش یابد، آنگاه پتانسیل الکتریکی بین دو صفحه هادی نیز به دلیل میدان الکتریکی کاهش می‌یابد.دی الکتریک ۴ الکتریسیته مستقیماً با پتانسیل الکتریکی متناسب است، همانطور که در معادله E = V / d بیان شده است، که در آن E = میدان الکتریکی، V = پتانسیل الکتریکی و d = فاصله بین دو صفحه است. اگر قبلاً دی‌الکتریک وجود داشت، پتانسیل الکتریکی V بود.o بنابراین پس از وجود دی‌الکتریک، پتانسیل الکتریکی با ضریب K به V کاهش می‌یابد. از نظر ریاضی، Vo = KV یا V = Vo / K یا K = Vo / V، که در آن K = ثابت دی‌الکتریک. Vo > V به طوری که K>1 باشد.
لازم به ذکر است که مقدار بار الکتریکی روی هر دو صفحه/ورقه رسانا تغییر نمی‌کند به طوری که مقدار نهایی بار همان مقدار اولیه بار است (Q = Qo). تغییر در ظرفیت خازن با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

دی الکتریک ۴

شرح فرمول: C = ظرفیت نهایی، C o = ظرفیت اولیه، Q = بار نهایی، Q o = بار اولیه، V = پتانسیل نهایی، V o = پتانسیل اولیه، K = ثابت دی‌الکتریک

بر اساس معادله بالا، نتیجه گرفته می‌شود که ظرفیت خازنی اولیه (C₂ ) کوچکتر و ظرفیت خازنی نهایی (C₂) بزرگتر است. ظرفیت خازنی با ضریب K افزایش می‌یابد، که در آن K ثابت دی‌الکتریک است. مقدار ثابت دی‌الکتریک هر ماده عایق متفاوت است. ثابت دی‌الکتریک (K₂) نتیجه مقایسه ظرفیت خازنی هنگام استفاده از دی‌الکتریک با ظرفیت خازنی هنگام عدم استفاده از دی‌الکتریک است.

دی‌الکتریک‌ها به دلیل کاهش فاصله بین دو صفحه رسانا، ظرفیت خازنی را افزایش می‌دهند.

یکی دیگر از وظایف دی‌الکتریک، کاهش فاصله (d) بین دو صفحه هادی است به طوری که میدان الکتریکی (E) و ولتاژ الکتریکی (V) بین دو صفحه/ورق هادی، همانطور که در معادله E = V / d بیان شده است، افزایش یابد. اگر میدان الکتریکی و ولتاژ الکتریکی بین دو صفحه/ورق افزایش یابد، ظرفیت خازن افزایش می‌یابد.
اگر خازن مورد نظر یک صفحه موازی باشد، ظرفیت آن با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

همچنین بخوانید  مثالی از اعمال قوانین نیوتن بر سیستم بار طناب و قرقره

دی الکتریک ۴

بر اساس دو فرمول بالا، می‌توان نتیجه گرفت که ظرفیت خازنی (C) یک خازن صفحه موازی را می‌توان با کاهش فاصله بین دو صفحه/ورقه رسانا (d) افزایش داد.

دی‌الکتریک‌ها ظرفیت خازنی را افزایش می‌دهند زیرا قدرت دی‌الکتریک خازن افزایش می‌یابد.

دی‌الکتریک‌ها از مواد عایق ساخته شده‌اند که وقتی در یک میدان الکتریکی بسیار قوی قرار می‌گیرند، دچار شکست می‌شوند. شکست دی‌الکتریک زمانی رخ می‌دهد که میدان الکتریکی آنقدر قوی باشد که باعث شود الکترون‌ها از اتم‌ها جدا شوند، جایی که این الکترون‌ها با الکترون‌های اتم‌های دیگر برخورد می‌کنند و باعث جریان الکترون در دی‌الکتریک می‌شوند. به عبارت دیگر، شکست دی‌الکتریک باعث می‌شود دی‌الکتریک، که یک عایق الکتریکی است، به یک رسانای الکتریکی تبدیل شود.

برای جلوگیری از آسیب، هر دی‌الکتریک ساخته شده از یک ماده عایق خاص، حداکثر مقدار میدان الکتریکی قابل تحملی دارد که به آن قدرت دی‌الکتریک می‌گویند. قدرت دی‌الکتریک یک ماده عایق بیشتر از قدرت دی‌الکتریک هوا است و هر ماده عایق قدرت دی‌الکتریک متفاوتی دارد، برخی کوچک و برخی بزرگ هستند. بنابراین اگر از یک دی‌الکتریک با قدرت دی‌الکتریک بزرگ استفاده شود، میدان الکتریکی که می‌تواند نگه داشته شود بیشتر و ولتاژ الکتریکی که می‌تواند نگه داشته شود نیز بیشتر است. اگر میدان الکتریکی و ولتاژ الکتریکی تولید شده توسط دو صفحه/ورقه‌های هادی بیشتر باشد، مقدار بار الکتریکی که می‌تواند توسط صفحه هادی تحمل شود بیشتر است. هرچه بار بیشتری در صفحه هادی باشد، ظرفیت خازن بیشتر می‌شود.

 

نظر بدهید