电介质是一种绝缘体,它分隔电容器中导体的两块极板或薄片。绝缘体是指不能导电的材料,例如塑料、玻璃、纸张或木材。电介质的作用是增加电容,使电容器能够存储更多的电荷和电势能。
电容器只有在两个导体极板不接触的情况下才能工作,这样电荷就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,两个导体之间的空间必须是真空。在讨论平行板电容器时,我们已经讨论了由真空隔开的平行板电容器的电容。真空中的电容器电容是有限的,因此为了增大电容,需要在两个极板之间放置电介质。
介质会增加电容,因为两个导体板之间的电势会降低。
为什么在电容器的两块极板或薄片之间放置电介质后,电容会增加?要找到答案,首先要回顾一下电荷的性质。同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。例如,正电荷吸引负电荷,但排斥正电荷。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)中的电子无法像导体材料中的电子那样自由移动。因此,当带负电荷的塑料靠近纸张时,束缚在塑料原子上的电子会被排斥,远离带负电荷的塑料。这样,纸张上就出现了正负电荷的极化。纸张上的负电荷远离塑料,而纸张上的正电荷则靠近塑料。然后,塑料上的负电荷会吸引纸张上的正电荷,直到纸张向塑料靠近。
纸张上的电荷极化过程与电介质中的电荷极化过程类似。例如,如图左侧所示,最初只有两块带电导体。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,但会形成带负电的电子和带正电的质子之间的极化,如图所示。
介质原子右侧带正电荷,左侧带负电荷,由此产生一个从右向左的电场。该电场会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导体两板/片上的电荷量减少,而是因为介质中出现了方向相反的电场。如果释放介质,导体两板/片上电荷产生的电场强度将恢复正常。
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由于两块导体板上的电荷产生的电场强度降低,两块导体板之间的电势也随之降低。这是因为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 为两板之间的距离。如果介质引入前的电势为 Vo,那么引入介质后,电势会降低至 V,降低因子为 K。
从数学角度来看,Vo = KV 或 V = Vo / K 或 K = Vo / V,其中 K 为介电常数。Vo> V,因此 K> 1。
请注意,两块导体板或薄片上的电荷量不变,因此最终电荷量等于初始电荷量 (Q = Qo)。电容器电容的变化量按以下方式计算:
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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 (C₀) 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各不相同。介电常数 (K) 是使用介质时电容器的电容与不使用介质时电容器的电容之比。
由于两块导体板之间的距离减小,介质电容增大。
介电常数的另一个作用是减小两块导体板之间的距离 (d)。这样,两块导体板或薄片之间的电场强度 (E) 和电压 (V) 就会增大,如公式 E = V / d 所示。如果两块导体板或薄片之间的电场强度和电压增大,则电容器的电容也会增大。
如果所涉及的电容器是并联的,则电容值可使用以下公式计算:
根据以上两个公式,可以得出结论:平行板电容器的电容(C)可以通过减小两板或导体片之间的距离(d)来增大。
介质电容增大,是因为电容器的电容增大。
电介质由绝缘材料制成,如果置于强电场中,就会受到损伤。当电场强度过大,足以使原子中的电子脱离原子时,就会发生电介质损伤。这些脱离原子的电子会撞击其他原子上的电子,从而导致电介质中出现电子流动。换句话说,电介质损伤会导致原本的电绝缘体转变为电导体。
为避免损坏,每种由特定绝缘材料制成的介质都具有可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,且每种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,则可承受的电场强度和电压也更大。导体两极板或薄片之间产生的电场强度和电压越大,导体极板可容纳的电荷量就越大。导体极板内部的电荷越多,电容器的电容就越大。