誘電率は、電界の存在下での媒体の応答を定量化するパラメータです。それはギリシャ文字εおよび他のメディアの基準となる真空のためにその値が、で表され、以下の通りである：ε O = 8.8541878176×10 -12 C 2 / Nmで2
媒体の性質により、電界に対する特定の応答が与えられます。このようにして、温度、湿度、分子量、構成分子の形状、内部の影響における機械的応力、または場の存在が促進される空間にいくつかの優先方向があります。
図1.一定の電圧を超えると、空気が伝導します。出典：Pixabay。
後者の場合、その材料は異方性を持っていると言われています。また、どちらの方向も優先されない場合、材料は等方性と見なされます。任意の均質媒体の透過率は、真空εの透過率の関数として、または次の式で表すことができます。
ε=κε または
ここで、κは材料の比透磁率であり、誘電率とも呼ばれ、多くの材料に対して実験的に決定された無次元の量です。この測定の実行方法については、後で説明します。
誘電体とコンデンサ
誘電体は電気を通しにくい素材なので、絶縁体として使用できます。ただし、これは、材料が外部電界に応答してそれ自体を作成することを妨げるものではありません。
以下では、ガラス、ワックス、紙、磁器、および電子機器で一般的に使用されるいくつかの脂肪などの等方性誘電材料の応答を分析します。
誘電体の外部にある電界は、平行平板コンデンサの2つの金属シートの間に作成できます。
誘電体は、銅のような導体とは異なり、材料内を移動できる自由電荷が不足しています。それらの構成分子は電気的に中性ですが、電荷はわずかにシフトする可能性があります。このようにして、電気双極子としてモデル化できます。
双極子は電気的に中性ですが、正の電荷は負の電荷から少し離れています。図2に示すように、誘電体材料内で外部電場がない場合、双極子は通常ランダムに分布します。
図2.誘電体では、双極子はランダムに配向されています。出典：自作。
外部電場の誘電体
誘電体が外部電場、たとえば2つの導電性シートの内側に作成された電場の中央に導入されると、双極子が再編成されて電荷が分離し、外部電場と反対方向に材料に内部電場が作成されます。 。
この変位が発生すると、材料は分極しているといいます。
図3.分極した誘電体材料。出典：自作。
この誘導された分極により、正味の電界または結果として生じる電界Eが減少します。これは、図3に示すように、前記分極によって生成される外部電界と内部電界は同じ方向ですが、方向が逆であるためです。Eの大きさは次の式で与えられます。
外場は、材料の巨視的特性であるκまたは材料の誘電率と呼ばれる要因での材料との相互作用のおかげで減少します。この量に関して、結果のフィールドまたは正味フィールドは次のとおりです。
誘電率κは、材料の比誘電率であり、真空では常に1より大きく、1に等しい無次元量です。
ε=κε、または冒頭で説明したとおり。εの単位はεと同じであるO C：2 / Nmで2またはF / mです。
誘電率の測定
コンデンサのプレート間に誘電体を挿入することの効果は、追加の電荷の蓄積、つまり容量の増加を可能にすることです。この事実は、19世紀にマイケルファラデーによって発見されました。
平板の平行平板コンデンサを使用して、次の方法で材料の誘電率を測定することが可能です：プレート間に空気しかない場合、容量は次のように与えられます。
ここで、C oはコンデンサの静電容量、Aはプレートの面積、dはプレート間の距離です。ただし、誘電体を挿入すると、前のセクションで示したように、容量は係数κだけ増加し、新しい容量Cは元の容量に比例します。
C =κε または。A / d =ε。A / d
最終容量と初期容量の比率は、材料の誘電率または比誘電率です。
κ= C / C または
そして、問題の材料の絶対誘電率は、
ε=ε O。 （C / C o）
静電容量を測定できるマルチメータがあれば、簡単に測定できます。別の方法は、誘電体なしでソースから絶縁されたコンデンサのプレート間の電圧Voを測定することです。次に、誘電体が導入され、電圧の減少が観察されます。その値はVになります。
次に、κ= V または / V
空気の誘電率を測定する実験
-材料
-調整可能な間隔平行平板コンデンサー。
-マイクロメトリックまたはバーニアねじ。
-容量を測定する機能を備えたマルチメータ。
-グラフ用紙。
-処理する
-コンデンサプレート間の間隔dを選択し、マルチメータを使用して容量C oを測定します。値のテーブルにデータペアを記録します。
-少なくとも5回のプレート分離について上記の手順を繰り返します。
-各測定距離の商（A / d）を求めます。
-式CのおかげO =ε O。A / d C oは商（A / d）に比例することが知られています。Cの各値またはそれぞれのA / d 値をグラフ用紙にプロットします。
-最適なラインを視覚的に調整し、その傾きを決定します。または、線形回帰を使用して勾配を見つけます。勾配の値は空気の誘電率です。
重要
プレート間の間隔は約2 mmを超えないようにしてください。これは、平行平板コンデンサの静電容量の式が無限のプレートを想定しているためです。ただし、プレートの側面は常にプレート間の間隔よりも大きいため、これはかなり良い近似です。
この実験では、真空の誘電率に非常に近い空気の誘電率が決定されます。真空の誘電率はκ= 1、乾燥空気の誘電率はκ= 1.00059です。
参考文献
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- フィゲロア、ダグラス。2007.科学と工学のための物理学シリーズ。第5巻電気的相互作用。2番目。版。213-215。
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- シアーズ、ゼマンスキー。2016.現代物理学と大学物理学。14 番目。Ed。797-806。