电介质

电容器要正常工作,两块极板/导体片必须互不接触,这样电荷才不会从一个导体转移到另一个导体。同样地,为了防止电荷从导体转移到空气中,两块导体之间的空间必须是真空。在关于平行板电容器的文章中,我们讨论了平行板电容器的电容,其中两块极板之间是真空。真空中的电容器电容有限,因此为了增加电容,需要在两块极板/导体片之间放置电介质。

电介质是一种绝缘体,它分隔电容器的两个导电极板。绝缘体是指不导电的材料,例如塑料、玻璃、纸张或木材。电介质的作用是增加电容,使电容器能够存储大量的电荷和电势能。

电介质会降低两个导电板之间的电势差,从而增加电容。

为什么在电容器的两块极板/导体片之间放置电介质后,电容器的电容会增加?要找到这个问题的答案,首先要回顾一下关于……的课程。 电荷同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。例如,正电荷相互吸引。 介电层 1塑料带负电,但与带正电的物体相互排斥。那么,为什么带负电的塑料会吸引不带电的小纸片呢?这是因为纸片发生了电荷极化。绝缘材料(例如纸张)中的电子不像导电材料中的电子那样可以自由移动。因此,当带负电的塑料靠近纸片时,束缚在塑料原子上的电子会受到排斥,远离塑料,导致纸片上的负电荷和正电荷发生极化。纸片上的负电荷远离塑料,而纸片上的正电荷靠近塑料。此外,塑料上的负电荷会吸引纸片上的正电荷,直到较轻的纸片靠近塑料为止。

纸张中发生的极化过程,或称电荷极化,与电介质中发生的电荷极化类似。例如,如图左所示,最初只有两块带电导体板。左侧板带正电,右侧板带负电,因此电场方向由左向右。

在两块导体板之间放置电介质后,左侧板上的正电荷会吸引附近电介质表面的电子,而右侧板上的负电荷则会排斥附近电介质表面的电子。电介质是绝缘体,其中的电子不像导体中的电子那样可以自由移动。因此,电子仍然束缚在原子中,但带负电的电子和带正电的质子会发生极化,如图所示。电介质原子右侧的正电荷和左侧的负电荷会产生一个从右向左的电场,从而削弱导体板上电荷产生的从左向右的电场。因此,电场强度的减弱并非由于两块导体板上的电荷量减少,而是因为电介质中出现了一个方向相反的电场。当移除电介质后,两块导体板上电荷产生的电场强度恢复到初始状态。

介电层 2如果两块导体板上的电荷产生的电场强度减小,那么由于电场的作用,两块导体板之间的电势也会减小。介电层 3 电场强度与电势成正比,如公式 E = V / d 所示,其中 E 为电场强度,V 为电势,d 为两极板之间的距离。如果不存在电介质,则电势为 V。o 因此,在存在电介质之后,电势会降低至 V,降低的因子为 K。数学上,Vo = KV 或 V = Vo / K 或 K = Vo / V,其中 K = 介电常数。Vo > V 使得 K>1。
需要注意的是,两块极板/导电片上的电荷量不变,因此最终电荷量与初始电荷量相同 (Q = Q)。o电容器电容的变化量可以用以下公式计算:

介电层 4

公式说明:C = 最终电容,C₀ =初始电容,Q = 最终电荷,Q₀ =初始电荷,V = 最终电势,V₀ =初始电势,K = 介电常数

根据上述公式可知,初始电容 (C <sub>o</sub> ) 较小,而最终电容 (C) 较大。电容值增加 K 倍,其中 K 为介电常数。每种绝缘材料的介电常数值都不同。介电常数 (K) 是通过比较电容器在有介质和无介质两种情况下的电容值而得出的。

电介质会增加电容,因为两个导电板之间的距离减小了。

电介质的另一个作用是减小两个导体板之间的距离 (d),从而使两个导体板/片之间的电场强度 (E) 和电压 (V) 增大,如公式 E = V / d 所示。如果两个板/片之间的电场强度和电压增大,则电容器的电容增大。
如果所讨论的电容器是平行板电容器,则其电容值可使用以下公式计算:

介电层 5

根据以上两个公式,可以得出结论:平行板电容器的电容(C)可以通过减小两板/导体片之间的距离(d)来增加。

电介质会增加电容,因为电容器的介电强度会增加。

电介质由绝缘材料制成,当置于极强的电场中时,会发生击穿。当电场强度过大,导致原子中的电子脱离原子结构时,就会发生电介质击穿。这些脱离原子结构的电子会与其他原子中的电子碰撞,从而在电介质内部产生电子流动。换句话说,电介质击穿会使原本是电绝缘体的电介质变成电导体。

为避免损坏,每种由特定绝缘材料制成的介质都有其所能承受的最大电场强度,称为介电强度。绝缘材料的介电强度大于空气的介电强度,且不同绝缘材料的介电强度各不相同,有的较小,有的较大。因此,如果使用介电强度较大的介质,则其能够承受的电场强度和电压也更大。如果两块极板/导体片产生的电场强度和电压更大,则导体片能够容纳的电荷量也更大。导体片中容纳的电荷越多,电容器的电容就越大。

 

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