A dielektromos polarizáció

1. A dielektromos polarizáció

2. Az elektromosan töltött testek nemcsak a vezető, hanem a semleges szigetelőanyagokra is vonzóhatást gyakorolnak. (Pl. : A megdörzsölt vonalzó vonzotta a semleges papírszeletkéket.) Kérdés: Hogyan értelmezhető a jelenség? 1. A szigetelők egy része olyan molekulákból áll, amelyek külső elektromos tér hiányában nem polárosak. Ábra Külső elektromos tér hatására viszont polarizálódnak. Ábra

3. 2. A szigetelők másik típusában a molekulák már szerkezetüknél fogva dipólusosak, de külső elektromos tér nélkül teljesen rendszertelenül helyezkednek el. Ábra A külső elektromos tér hatására viszont igyekeznek beállni a tér irányába. Ábra A jelenséget dielektromos polarizációnak hívjuk. Vázlat

4. Külső elektromos térben a szigetelő egyik oldala pozitívvá, a másik negatívvá válik, hasonlóan a vezetőknél tapasztalt elektromos megosztáshoz. A lényeges különbség a kettő között az, hogy míg a vezetők esetében jelentős töltésmozgás van, addig itt nincs töltésáramlás, csak a molekulaláncok végein jelentkező töltések mutatkoznak meg. A szigetelő körül az elektromos teret kondenzátorral is létrehozhatjuk. Ekkor viszont a pozitív töltésű lemezről kiinduló erővonalak egy része a a szomszédos negatív polarizációs töltésen végződik. Ábra

5. Tehát a szigetelő belsejében az elektromos tér erőssége kisebb lesz, mintha a lemezek köze vákuummal lenne kitöltve. Ez pedig kisebb feszültségben és nagyobb kapacitásban nyilvánul meg. A térerősség-csökkenés szigetelő anyagonként eltérő mértékű. A különféle anyagok polarizálhatósága a relatív dielektromos állandóval jellemezhető: r = Evákuum / Eszigetelő Ebből következően a szigetelővel kitöltött terű kondenzátor kapacitása a vákuumbeli kapacitás r -szeresére növekszik.

6. A vákuum dielektromos állandójának értéke: 0 =8,85·10-12 C/Vm Néhány szigetelő anyag relatív dielektromos állandója megtalálható a tankönyv 41. oldalán, az 1. táblázatban. Vázlat

7. Szigetelő A molekulák nem polarizáltak.

8. – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + A külső elektromos tér hatására a szigetelő molekuláiban a töltések szétválnak, a polarizálódott részecskék pedig beállnak a tér irányába.

9. + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – Az eleve polaritással rendelkező részecskék rendezetlenül helyezkednek el a szigetelőben.

10. – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + A dipólusos részecskék a külső elektromos tér hatására dipólláncot alkotva állnak be a tér irányába.

11. – – – – – – – – – – – – – – – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + – + + + + + + + + + + + + + + + A kondenzátor pozitív töltésű lemezéről induló erővonalak egy része a szigetelő szomszédos dipólusos részecskéin végződik. Hasonló dolog történik a negatív töltésű fegyverzeten is, csak itt az erővonalak a szomszédos részecskékről indulnak és a negatív lemezen végződnek. Ezáltal jóval kevesebb erővonal jut át egyik lemezről a másikra.

12. VÁZLAT Az alábbi vázlatpontokat másold le a füzetedbe! • Az elektromosan töltött testek a semleges szigetelőanyagokra is vonzóhatást gyakorolnak. • A külső elektromos tér hatására a szigetelő molekulái polarizálódnak, beállnak a tér irányába.

13. VÁZLAT Az alábbi vázlatpontokat másold le a füzetedbe! • A kondenzátor lemezei között lévő szigetelő anyag csökkenti a kialakuló térerősséget és a feszültséget, növeli a kondenzátor kapacitását. • A különféle anyagok polarizálhatósága a relatív dielektromos állandóval jellemezhető. • r = Evákuum / Eszigetelő

14. KÉRDÉSEK, FELADATOK A megoldásokat írd le! Segítséget, illetve a helyes válaszokat az információs gomb megnyomásával nézheted meg. 1. Mi a lényegi különbség az elektromos megosztás és a dielektromos polarizáció között? 2. Miért vonzza a semleges töltésű szigetelőt a feltöltött test? 3. Miért csökken a feltöltés után a telepről lekapcsolt síkkondenzátor térerőssége, ha a lemezek közé szigetelőanyagot helyezünk? 4. Hogyan változik a feltöltés után a telepről lekapcsolt síkkondenzátor kapacitása, ha a lemezek közé szigetelőanyagot helyezünk?

15. KÉRDÉSEK, FELADATOK A megoldásokat írd le! Segítséget, illetve a helyes válaszokat az információs gomb megnyomásával nézheted meg. 5. Egy kondenzátor lemezei között vákuumban 10V feszültség van. A lemezek távolsága 2 cm. Mekkora lesz a lemezek között a térerősség, és a feszültség, ha porcelánt helyezünk a fegyverzetek közé?

16. MEGOLDÁSOK 1. feladat Elektromos megosztásnál a vezetőben lévő töltések áramlanak, míg a dielektromos polarizáció esetében nincs töltésmozgás.

17. MEGOLDÁSOK 2. feladat A feltöltött test elektromos tere az eredetileg semleges töltésű szigetelő részecskéit polarizálja, emiatt úgy viselkedik, mintha egyik szélén negatív, másikon pedig pozitív töltésű lenne.

18. MEGOLDÁSOK 3. feladat A kondenzátor elektromos tere polarizálja a szigetelőanyag részecskéit, így a pozitív lemezről kiinduló erővonalak egy része a szomszédos részecskék pozitív töltésein végződik, ezáltal kevesebb erővonal jut át a negatív fegyverzetre.

19. MEGOLDÁSOK 4. feladat Növekszik. Mivel a térerősség a szigetelő hatására csökken, így csökken a lemezek közötti feszültség is. Változatlan töltésmennyiség esetében ekkor viszont növekszik a kapacitás.

20. MEGOLDÁSOK 5. feladat Az r értékét keresd ki a tankönyvből! Használd az alábbi képleteket: U = E · d r = Evákuum / Eszigetelő Megoldás

21. MEGOLDÁSOK 5. feladat UV = 10 V d = 2 cm = 2 ·10-2 m Eporc = ? Uporc = ? UV = EV · d  EV = UV / d EV = 10 V / 2 ·10-2 m = 500 V / m r = EV / Eporc  Eporc = EV / r Eporc = 92,6 V / m r = 5,4 (Tk. 41.o. 1. táblázat) Uporc = Eporc · d = 1,852 V

22. Házi feladat Mennyi lesz a kondenzátor kapacitása, ha vákuum, és mennyi ha a porcelán van a lemezek között? A kondenzátor töltése: 10-6 C. A bemutató befejezéséhez nyomd le az ESC gombot!