Ayúdame a entender los dieléctricos

Para sus propósitos, simplemente vaya con no conductor. Olvídese de los conductores deficientes, los cargos de transmisión o los cargos de tenencia.

Lo que hace un material dieléctrico es almacenar energía cuando hay un campo eléctrico a través de él, puedes convertirlo en un condensador colocando una placa de metal a cada lado de una hoja delgada.

Lo que hace un material elástico es almacenar energía cuando hay una tensión en él, puedes convertirlo en un resorte dibujándolo en un cable delgado y colocando un lazo en cada extremo.

Aunque funcionan con principios ligeramente diferentes, tienen la misma ecuación para describir su comportamiento.

La carga absorbida en un condensador es proporcional al voltaje con una constante llamada capacitancia, en un resorte la desviación observada es proporcional a la fuerza con una constante llamada cumplimiento. La energía absorbida en julios es 0.5. aplicada ^ 2.constante, cuando todo se mide en unidades SI.

Hay una gran diferencia entre un potencial eléctrico y un campo eléctrico, así que ten cuidado con esos términos. La diferencia de potencial entre dos placas depende del campo eléctrico entre ellas.

Necesito hacer una pausa por un momento aquí. Tenga en cuenta que no dije el campo eléctrico en cada placa de metal. Dije el campo eléctrico entre las placas. La razón es que en un conductor en equilibrio, en el que hay un verdadero mar de electrones móviles, el campo eléctrico neto es cero en todas partes dentro del metal. Se podría imaginar esto como una especie de jaula de Faraday, supongo. Es el trabajo requerido para mover una partícula de una placa a otra, a través de el campo eléctrico intermedio, lo que cuenta aquí.

Cuando se inserta un material aislante en este campo eléctrico, las moléculas pueden polarizarse. Este proceso es tan complejo como los materiales en sí. Pero cuando estamos hablando de aumentar la capacitancia, estamos hablando de aisladores polarizados . Cuanto más fácil sea polarizar el aislante, mayor será la capacidad.

Con un aislante polarizado, las moléculas polarizadas son pequeños dipolos eléctricos. El campo eléctrico neto dentro del material aislante polarizado es la suma del campo debido a las placas del capacitor y el campo debido a los dipolos inducidos en el aislante. Y los dipolos aislantes se configuran para oponerse al campo eléctrico debido a las placas del capacitor. (Un argumento desde una integral de trayectoria a lo largo del exterior del aislador puede demostrar que debe ser el caso). Por lo tanto, el campo total es más pequeño que el campo debido al capacitor en sí mismo. (Este campo neto sigue en la dirección establecida por el capacitor, ya que el campo del dipolo opuesto es más pequeño).

La constante dieléctrica \ $ K \ $ se define de esta manera:

$$ \ overrightarrow {E} _ {aislador} = \ frac {\ overrightarrow {E} _ {aplicado}} {K} $$

Esta constante siempre debe ser más de 1 (con los dipolos configurando campos opuestos) porque la polarización siempre debilita el campo aplicado. Y como dije antes, cuanto más fácil sea polarizar las moléculas, mayor será \ $ K \ $.

Entonces, un aislante polarizador:

• disminuye la diferencia de potencial en el aislador
• disminuye el campo eléctrico dentro del aislador

Ahora es un pequeño paso para ver por qué aumenta la capacitancia. Supongamos que hay una cierta diferencia de carga entre dos placas con aire entre ellas, configurada estableciendo un voltaje entre las placas. Sin embargo, esta misma carga, colocada en un condensador con un aislante polarizador entre las placas, encontraría que el aislador establece un campo eléctrico opuesto (más pequeño, pero opuesto) debido a los dipolos alineados. Esto implicaría una menor diferencia de potencial (menor voltaje) para esa misma carga. Pero:

$$ C = \ frac {Q} {V} $$

Si hay una diferencia de potencial menor pero para la misma carga, entonces la capacitancia debe ser mayor. Simplemente sigue.

Hay otras formas de ver esto. Uno de mis favoritos es simplemente imaginar que cada dipolo actúa como un "atajo" a través del espacio vacío que llenan. Cuando explica todos estos accesos directos, termina con una distancia efectiva más pequeña entre las placas. Y esto significa una mayor capacitancia. (Esta analogía también funciona igual de bien con los materiales magnéticos, donde los dominios de alineación actúan como accesos directos magnéticos que reducen la longitud efectiva del camino magnético. La misma idea, en realidad. Pero un proceso muy diferente. Pero funciona igual de bien para la permeabilidad relativa que existe). / p>

Espero que ayude un poco.

Para poder comprender los dieléctricos, incluidos los condensadores de vacío, primero debemos aclarar algunos conceptos erróneos.

Primero, los dieléctricos no almacenan o transmiten carga, de la misma manera que los núcleos de inducción magnética no almacenan ni transmiten carga. Los dieléctricos y los ferromagnetos se refieren a los campos . Ambos son "conductores" de líneas de flujo, no conductores de carga.

En segundo lugar, hay dos tipos de campos: campos b o magnetismo y campos e o voltaje.

Es un error común pensar que el voltaje es "solo un concepto abstracto". No, mal. Desde Faraday hemos sabido que los campos e y b son reales. Faraday derrotó la creencia física anterior, la creencia en la acción directa a distancia, donde los campos eran solo algunos artefactos matemáticos y en realidad no eran reales. Maxwell destruyó esta creencia al demostrar que los campos electrónicos y magnéticos pueden desprenderse de la materia e ir volando por el espacio como la luz y las ondas de radio. Entonces, es un rayo de luz solo un artefacto matemático; un concepto abstracto? Por supuesto no. De la misma manera, el voltaje y el magnetismo son cosas reales. Son campos que pueden extenderse a través del espacio vacío.

Pero ... ¿el voltaje es un CAMPO? Sí, el voltaje es una forma de describir campos electrónicos. El otro método para describir campos electrónicos es como líneas de flujo. Las líneas de flujo de un campo EM son siempre perpendiculares a los equipotenciales. Entonces, cada electrón está rodeado por una bola de aire radial hecha de líneas de flujo de campo e, pero también está rodeada por una cebolla esférica concéntrica hecha de voltaje. Las placas paralelas de un condensador están conectadas por líneas de flujo de campo e, pero también encontramos una pila de equipotenciales o "planos de voltaje" empaquetados entre esas placas paralelas.

Por lo tanto, los campos electrónicos existen en el espacio vacío entre las placas de condensadores, de la misma manera que los campos magnéticos existen en el espacio vacío entre los polos magnéticos.

Mientras que un inductor almacena energía en su campo magnético, un condensador almacena energía en su campo e.

Todo lo anterior debería ser obvio incluso para un principiante en física. Sin embargo, puede ser una información nueva para muchos, ya que en la escuela primaria nos concentramos en campos magnéticos e imanes, mientras que solo mencionamos los campos electrónicos y "Electrets" rara vez o incluso nunca. El concepto de campos de voltaje generalmente se oculta dentro de "Electricidad estática" y luego se ignora. (¡¿Como si las baterías de la linterna no tuvieran nada que ver con el voltaje ?!) De hecho, la "fuerza motriz" en todos los circuitos eléctricos es la llamada electricidad estática, los campos e o campos electrostáticos, medidos en términos de voltios.

Entonces, cada vez que forzamos algo de carga en un terminal de un capacitor, y una cantidad igual de carga fluye hacia afuera del otro terminal, los dos terminales están siendo conectados por un espacio vacío lleno de voltaje puro.

El primer gran descubrimiento de Maxwell fue que un voltaje de cambio radial es lo mismo que una corriente eléctrica. Maxwell le dio el nombre Corriente de desplazamiento al "efecto similar a la corriente" que se encuentra en el espacio vacío entre las placas de los condensadores. Cuando se encuentra un amperio en los cables de conexión del capacitor, debe existir un amperio de corriente de desplazamiento en el dieléctrico entre las placas. (Un condensador es no un circuito abierto. Igual que cualquier componente de 2 terminales.) Históricamente, esta corriente de desplazamiento condujo directamente al segundo gran descubrimiento de las ondas EM de Maxwell en los campos e y en la b -campos; ondas que viajaban exactamente a la velocidad de la luz.

¿Qué son los imanes effing? Una pregunta más interesante es, ¿qué están haciendo los ELECTRETOS? La mayoría de los principiantes ya tienen una comprensión justa de los inductores y los campos magnéticos. Los condensadores siguen siendo misteriosos porque nuestras escuelas de grado nunca nos dieron un concepto sólido de los campos de voltaje y los electretos.

Una última cosa: sabemos que un anillo de carga en movimiento, con un núcleo de hierro en el centro, es un inductor. Pero, entonces, ¿cómo se ve un condensador? ¿Qué veríamos si pudiéramos ver el proceso de carga? Veríamos SEPARACIÓN DE CARGA, donde las cargas pos y neg existentes se separan y se mantienen a distancia. El proyecto de código abierto MIT tiene un video de eso:

"Cargando" un condensador MIT "T.E.A.L" proyecto

Las placas sostienen la carga, el dieléctrico impide el flujo de corriente. Los condensadores no se descargan a través del dieléctrico (aparte de las fugas). La corriente no fluye a través del dieléctrico.

Es como una membrana en un sistema de fluido: aplique presión en una dirección y se abombe, aplique presión en la dirección opuesta y se abombará en la dirección opuesta, de modo que el fluido se mueve de un lado a otro, pero nunca cruza la membrana. Una corriente alterna fluye.

Aplique una presión constante en una dirección, la membrana se abombará hasta que la presión y la rigidez de la membrana se igualen, el sistema se carga. Liberar la presión y el flujo se produce en dirección opuesta, las descargas del sistema. Esto es flujo de CC.