介電常數的影響

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引言

宇宙中的一切物質都是由分子構成的。許多原子都包含帶正電荷和帶負電荷的粒子。這種吸引力被稱為化學鍵。這種鍵合是由於帶相反電荷的離子之間的靜電力或電子共享而發生的。以前稱為離子鍵，後來稱為共價鍵。分子的極性取決於它們之間的鍵合。

帶電粒子的運動是電能的來源。從帶電粒子的動能或勢能獲得的能量就是電能。帶電粒子是帶電荷的原子、分子或離子。帶電粒子之間存在吸引力或排斥力，這取決於庫侖定律。

什麼是介電質？

介電材料是不良導體或絕緣體。它們沒有任何自由電子。它們與原子結合在一起。自由電子負責電流的流動。由於導體具有自由電子，因此它們可以導電。絕緣體沒有自由電子，因此它們不能導電。由於介電材料是絕緣體，因此它們不導電，但在施加電場時會發生極化。這被稱為介電極化。紙張、玻璃、雲母和蒸餾水是一些介電材料的例子。真空也是介電材料的一個例子。介電材料分為極性介電材料和非極性介電材料兩種。

什麼是電容？

材料儲存電荷的能力稱為電容。通常，電容器由兩個導電極板組成，它們被空氣、紙張或橡膠等絕緣材料隔開。

放置在導電極板之間的絕緣材料稱為介電材料。當兩個導電極板透過將一個極板連線到正極，另一個極板連線到負極的方式連線到電池時，電場使電子向正極移動。兩個導體帶電，一個帶正電，另一個帶負電。介電材料阻止電子穿過極板。

因此它儲存能量。這種儲存的能量在連線到任何其他電路時會被利用。電容是儲存在導體中的電荷與電位差之比。

$$\mathrm{C=\frac{Q}{v}}$$

電容的 SI 單位是法拉。雙平板電容器的電容也可以表示為：

$$\mathrm{C=\frac{\epsilon _{0}\epsilon _{r}A}{d}}$$

C 表示電容器的電容。$\mathrm{\epsilon _{0}}$ 表示自由空間的介電常數。$\mathrm{\epsilon _{r}}$ 表示相對介電常數。A 表示材料橫截面的面積。

D 表示極板之間的距離。

電容器中需要介電材料的原因

在電容器中使用介電材料的兩個主要原因如下。當兩個導電極板連線到電池並且電荷分離使得一個極板帶有正電荷而另一個極板帶有負電荷時。相反帶電粒子之間的吸引力試圖使它們連線在一起。這減少了間隙。通常，介電材料是不良導體或絕緣體，這減少了這種趨勢。導體之間的電場使介電材料的分子極化。極化降低了電場強度。它使更多的電荷沉積。如果電場增加，絕緣體會擊穿。介電材料具有高擊穿電壓。

介電材料對電容的影響

用於電容器中的介電材料增加了電容的有效面積。從而增加了電容的體積效率。如果介電材料是極性分子，則在沒有電場的情況下，它們的取向不同。如果施加電場，它們會極化併產生相反方向的電場。這種有效電場的降低稱為介電常數 k。電容器的電容增加了 k 倍。

帶有介電材料的電容器的電容

讓我們考慮兩個平行放置的導體極板，它們之間的距離為 d。A 是極板橫截面的面積，它們之間的介質為空氣。如果將電壓 V 加到平行板電容器上，則電容器中的電場為

$$\mathrm{E=\frac{v }{d}...............(1)}$$

根據高斯定律，電場由下式給出：

$$\mathrm{E=\frac{\sigma }{\epsilon _{0}}...............(2)}$$

從公式 (1) 和 (2) 我們得到：

$$\mathrm{\frac{v}{d}=\frac{\sigma }{\epsilon _{0}}}$$

$\mathrm{\sigma}$ 表示表面電荷密度。它定義為單位面積上的電荷

$$\mathrm{\sigma =\frac{Q}{A}}$$

$$\mathrm{\frac{v}{d}=\frac{\sigma }{\epsilon _{0}}=\frac{Q}{\epsilon _{0}A}}$$

$$\mathrm{V=\frac{Qd}{\epsilon _{0}A}}$$

電容器的電容定義為電荷與電位差之比。

$$\mathrm{C=\frac{Q}{v}}$$

$$\mathrm{C=\frac{Q}{v\frac{Qd}{\epsilon _{0}A}}}$$

$$\mathrm{C=Q\:x\frac{\epsilon _{0}A}{Qd}}$$

$$\mathrm{C=\frac{\epsilon _{0}A}{d}}$$

這是沒有介電材料的電容器的電容。如果新增介電材料，則電容將變為 $\mathrm{C=\frac{k\epsilon _{0}A}{d}}$

電容器的用途

電容器在許多地方都有使用。它們列在下面。

• 它們用於需要快速釋放電荷的裝置，例如相機閃光燈和計算機鍵盤。

• 電容器用於產生和檢測高頻電磁輻射。

• 它用於長時間儲存電能。

• 汽車發動機的點火系統使用電容器來消除火花。

• 它用於製造振盪器、放大器、發射器等。

• 它用於增加或減少交流電路的阻抗。

結論

在本教程中，詳細討論了介電材料和電容。還詳細討論了電容器中介電材料的必要性和介電材料對電容的影響。還討論了帶有介電材料的電容器的電容和電容器的用途。

常見問題

Q1. 什麼是介電強度及其單位？

A1. 在電路中產生電擊穿所需的最高電壓稱為介電強度。它用伏特每單位厚度 (v/m) 表示。真空具有高介電強度。

Q2. 什麼是介電常數？影響介電常數的因素有哪些？

A2. 介電常數是材料的介電常數與自由空間的介電常數之比。它用 k 表示。

介電常數 $\mathrm{k=\frac{\epsilon }{\epsilon _{0}}}$

介電常數受溫度、加熱效應、頻率、施加電壓和溼度影響。

Q3. 介電材料有哪些應用？

A3. 通常，介電材料用作電容器中的儲能材料。根據介電材料的性質，它可以是氣態、液態或固態介電材料。液晶顯示器採用介電材料。介電諧振器振盪器使用陶瓷介電材料。具有高介電常數的介電材料用於增強半導體。使用介電材料塗覆可暴露的元件。

Q4. 電容器的分類是什麼？

A4. 電容器分為兩種。它們是極性電容器和非極性電容器。極性電容器僅用於一個方向，例如正極或負極。非極性電容器用於濾波器。

Q5. 舉一些非極性介電材料的例子？

A5. 它們通常用於電子裝置中的濾波電路。為此使用的材料包括陶瓷、紙張、聚合物薄膜和雲母。