Electromagnetisme |
Condensadors Condensador pla-paral·lel Model elèctric d'un cicle de Carnot Condensador cilíndric
Força sobre un dielèctric (I) Força sobre un dielèctric (II) Càrrega i descàrrega Mesura de la Agrupació de condensadors |
Efecte del dielèctric en un condensador | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Efecte del dielèctric en un condensadorLa major part dels condensadors porten entre les seues làmines una substància no conductora o dielèctrica. Un condensador típic està format per làmines metàl·liques enrotllades, separades per paper impregnat en cera. El condensador resultant s'embolcalla amb una funda de plàstic. La seua capacitat és d'uns quants microfarads. L'ampolla de Leyden és el condensador més primitiu. Consisteix en un full metàl·lic enganxat en les superfícies interior i exterior d'una ampolla de vidre. Els condensadors electrolítics utilitzen com a dielèctric una capa prima d'òxid no conductor, entre una làmina metàl·lica i una dissolució conductora. Els condensadors electrolítics, de dimensions relativament petites, poden tenir una capacitat de 100 a 1000 mF. La funció d'un dielèctric sòlid col·locat entre les làmines és triple:
Siga un condensador pla-paral·lel les làmines del qual hem carregat amb càrregues +Q i –Q, iguals i oposades. Si entre les plaques s'ha fet el buit i es mesura una diferència de potencial V0, la seua capacitat i l'energia que acumula seran
Si introduïm un dielèctric s'observa que la diferència de potencial disminueix fins un valor V. La capacitat del condensador amb dielèctric serà
on k s'anomena constant dielèctrica. L'energia del condensador amb dielèctric és
Per tant, l'energia de un condensador amb dielèctric disminueix respecte de la del mateix condensador buit.
Font: Manual de física elemental, Koshkin N. I, Shirkévich M. G., Ed. Mir, pàg. 124-5.
Teoria molecular de les càrregues induïdesLa disminució de la diferència de potencial que experimenta el condensador quan s'introdueix el dielèctric es pot explicar qualitativament de la manera següent. Les molècules d'un dielèctric es poden classificar en polars i no polars. Les molècules com ara H2, N2, O2, etc., són no polars. Les molècules són simètriques i el centre de la distribució de les càrregues positives coincideix amb el de les negatives. Per contra, les molècules N2O i H2O no són simètriques i els centres de les distribucions de càrrega no coincideixen. Sota la influència d'un camp elèctric, les càrregues d'una molécula no polar arriben a desplaçar-se com s'indica en la figura: les càrregues positives experimenten una força en el sentit del camp i les negatives en sentit contrari al camp. La separació d'equilibri s'estableix quan la força elèctrica es compensa amb la força recuperadora (com si una molla unira els dos tipus de càrregues). Aquest tipus de dipols, formats a partir de molècules no polars, s'anomenen dipols induïts. Les molècules polars o dipols permanents d'un dielèctric estan orientats a l'atzar quan no hi ha camp elèctric, com s'indica en la figura de la dreta. Sota l'acció d'un camp elèctric es produeix un cert grau d'orientació. Com més intens és el camp major és el nombre de dipols que s'orienten en la direcció del camp.
Siguen polars o no polars les molècules d'un dielèctric, l'efecte net d'un camp exterior es representa en la figura inferior. Al costat de la placa positiva del condensador tenim càrrega induïda negativa i al costat de la placa negativa del condensador tenim càrrega induïda positiva.
Com veiem en la part dreta de la figura, degut a la presència de les càrregues induïdes el camp elèctric entre les plaques d'un condensador amb dielèctric, E, és menor que si estiguera buit, E0. Algunes de les línies de camp que abandonen la placa positiva penetren en el dielèctric i arriben a la placa negativa; altres acaben en les càrregues induïdes. El camp i la diferència de potencial disminueixen en proporció inversa a la seua constant dielèctrica k = є/є0, E = E0/k Exemple Es connecta un condensador pla-paral·lel a una bateria de 10 V. Les dades del condensador són:
Condensadors en paral·lelSuposem que tenim dos condensadors iguals carregats amb la mateixa càrrega q i en paral·lel. Si introduïm un dielèctric de constant dielèctrica k en un dels condensadors, la capacitat del condensador amb dielèctric augmenta, la diferència de potencial entre les seues plaques disminueix. En unir les plaques del mateix signe dels dos condensadors, la càrrega es repartirà fins que s'igualen de nou els seues potencials.
L'analogia hidràulica es mostra en la figura inferior.
2q = q1 + q2
|
Condensador amb
