誘電

コンデンサは、2枚の極板(導体シート)が互いに接触せず、電荷が一方の導体から他方の導体へ移動しない状態であれば機能します。同様に、電荷が導体から空気へ移動するのを防ぐためには、2枚の導体間の空間は真空でなければなりません。平行平板コンデンサに関する記事では、静電容量について説明しました。 平行平板コンデンサ 2枚のプレートは真空によって隔てられている。真空中のコンデンサの静電容量には限界があるため、静電容量を増やすには、2枚のプレート(またはシート)の間に導体を配置する。 誘電.

誘電体とは、コンデンサの2枚の導体板を隔てる絶縁体のことです。絶縁体とは、プラスチック、ガラス、紙、木材など、電気を通さない物質のことです。誘電体の役割は、静電容量を増加させ、コンデンサが大量の電荷と位置エネルギーを蓄えられるようにすることです。

誘電体は、2枚の導体板間の電位差を減少させるため、静電容量を増加させる。

誘電体を2枚の電極板/導体シートの間に挟むと、コンデンサの静電容量が増加するのはなぜでしょうか?この疑問に答えるには、まず、次のレッスンを思い出してください。 電荷同種の電荷は反発し合い、異種の電荷は引き合い合う。例えば、正電荷は互いに引き合う。 誘電体1負に帯電したプラスチックは、負に帯電したプラスチックを引きつけ、正に帯電したプラスチックを反発します。では、なぜ負に帯電したプラスチックは、電気的に帯電していない小さな紙片を引きつけることができるのでしょうか?これは、紙片が電荷分極を起こすためです。紙のような絶縁体中の電子は、導電性物質中の電子のように自由に移動できません。そのため、負に帯電したプラスチックを紙片に近づけると、原子に束縛されている電子が負に帯電したプラスチックから反発され、紙の負電荷と正電荷が分極します。紙の負電荷はプラスチックから遠ざかり、紙の正電荷はプラスチックに近づきます。さらに、プラスチックの負電荷は、紙片の正電荷を引きつけ、軽い方の紙がプラスチックに近づくまで引きつけ続けます。

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紙片で起こる分極過程、すなわち電荷分極は、誘電体で起こる電荷分極と類似しています。例えば、左の図に示すように、最初は電気的に帯電した導体板が2枚しかありません。左側の板は正に帯電し、右側の板は負に帯電しているため、電場の方向は左から右になります。

誘電体を2枚の導体板の間に挟むと、左側の導体板の正電荷が近傍の誘電体表面の電子を引き付け、右側の導体板の負電荷が近傍の誘電体表面の電子を反発します。絶縁体である誘電体中の電子は、導体中の電子のように自由に移動することはできません。そのため、電子は原子に束縛されたままですが、図に示すように、負に帯電した電子と正に帯電した陽子の間に分極が生じます。誘電体原子の右側に正電荷、左側に負電荷が存在することで、右から左に向かう電場が生成され、導体板上の電荷によって生成される左から右に向かう電場が弱まります。したがって、電場が弱まるのは、2枚の導体板の電荷が減少するためではなく、誘電体中に逆方向の電場が生じるためです。誘電体を取り除くと、2枚の導体板の電荷によって生成される電場の強さは元の状態に戻ります。

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誘電体12枚の導体板上の電荷によって発生する電界の強さが減少すると、電界の影響により、2枚の導体板間の電位も減少する。誘電体1 電気は電位に正比例し、式 E = V / d で表されます。ここで、E は電場、V は電位、d は 2 枚の板間の距離です。誘電体が存在する前の電位は V でした。o 誘電体が存在すると、電位は係数KでVに減少します。数学的には、Vo = KV または V = Vo / K または K = Vo / V、ここで K は誘電率です。Vo > V なので K>1 となります。
両方のプレート/導体シート上の電荷量は変化しないため、最終的な電荷量は初期電荷量と同じである(Q = Q)ことに注意する必要がある。oコンデンサの静電容量の変化は、次の式を用いて計算されます。

誘電体1

式の説明: C = 最終容量、Co = 初期容量、Q = 最終電荷、Qo = 初期電荷、V = 最終電位、Vo = 初期電位、K = 誘電率

上記の式に基づくと、初期容量(C)はo)は小さく、最終的な静電容量(C)は大きくなります。静電容量は誘電率K倍に増加します。各絶縁材料の誘電率の値は異なります。誘電率(K)は、誘電体を使用した場合のコンデンサの静電容量と、誘電体を使用しない場合のコンデンサの静電容量を比較した結果です。

誘電体は、2枚の導体板間の距離を縮めるため、静電容量を増加させる。

誘電体のもう一つの機能は、2枚の導体板間の距離(d)を小さくすることです。これにより、2枚の導体板間の電界(E)と電圧(V)が増加します。これは、E = V / d という式で表されます。2枚の導体板間の電界と電圧が増加すると、コンデンサの静電容量も増加します。
対象となるコンデンサが平行平板コンデンサである場合、その静電容量は次の式を用いて計算されます。

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誘電体1

上記の2つの式に基づくと、平行平板コンデンサの静電容量(C)は、2枚の平板/導体シート間の距離(d)を小さくすることで増加させることができると結論付けられます。

誘電体はコンデンサの誘電強度を高めるため、静電容量を増加させる。

誘電体は絶縁材料でできており、非常に強い電界にさらされると絶縁破壊を起こします。絶縁破壊は、電界が非常に強く、原子から電子が剥ぎ取られ、これらの電子が他の原子の電子と衝突することで、誘電体内部で電子の流れが生じるときに起こります。言い換えれば、絶縁体である誘電体が絶縁体から導体へと変化するのです。

損傷を避けるため、特定の絶縁材料で作られた各誘電体には、耐えられる最大電界値があり、これを絶縁耐力と呼びます。絶縁材料の絶縁耐力は空気の絶縁耐力よりも大きく、絶縁材料ごとに絶縁耐力は異なり、小さいものもあれば大きいものもあります。したがって、絶縁耐力の大きい誘電体を使用すると、保持できる電界が大きくなり、保持できる電圧も大きくなります。2枚の板/導体シートによって発生する電界と電圧が大きいほど、導体板に蓄積できる電荷量も大きくなります。導体板に蓄積される電荷​​量が多いほど、コンデンサの静電容量は大きくなります。

 

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