介电常数的影响

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引言

宇宙中的一切物质都是由分子构成的。许多原子都包含带正电荷和带负电荷的粒子。这种吸引力被称为化学键。这种键合是由于带相反电荷的离子之间的静电力或电子共享而发生的。以前称为离子键，后来称为共价键。分子的极性取决于它们之间的键合。

带电粒子的运动是电能的来源。从带电粒子的动能或势能获得的能量就是电能。带电粒子是带电荷的原子、分子或离子。带电粒子之间存在吸引力或排斥力，这取决于库仑定律。

什么是介电质？

介电材料是不良导体或绝缘体。它们没有任何自由电子。它们与原子结合在一起。自由电子负责电流的流动。由于导体具有自由电子，因此它们可以导电。绝缘体没有自由电子，因此它们不能导电。由于介电材料是绝缘体，因此它们不导电，但在施加电场时会发生极化。这被称为介电极化。纸张、玻璃、云母和蒸馏水是一些介电材料的例子。真空也是介电材料的一个例子。介电材料分为极性介电材料和非极性介电材料两种。

什么是电容？

材料储存电荷的能力称为电容。通常，电容器由两个导电极板组成，它们被空气、纸张或橡胶等绝缘材料隔开。

放置在导电极板之间的绝缘材料称为介电材料。当两个导电极板通过将一个极板连接到正极，另一个极板连接到负极的方式连接到电池时，电场使电子向正极移动。两个导体带电，一个带正电，另一个带负电。介电材料阻止电子穿过极板。

因此它储存能量。这种储存的能量在连接到任何其他电路时会被利用。电容是储存在导体中的电荷与电位差之比。

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

电容的 SI 单位是法拉。双平板电容器的电容也可以表示为：

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

C 表示电容器的电容。$\mathrm{\epsilon _{0}}$ 表示自由空间的介电常数。$\mathrm{\epsilon _{r}}$ 表示相对介电常数。A 表示材料横截面的面积。

D 表示极板之间的距离。

电容器中需要介电材料的原因

在电容器中使用介电材料的两个主要原因如下。当两个导电极板连接到电池并且电荷分离使得一个极板带有正电荷而另一个极板带有负电荷时。相反带电粒子之间的吸引力试图使它们连接在一起。这减少了间隙。通常，介电材料是不良导体或绝缘体，这减少了这种趋势。导体之间的电场使介电材料的分子极化。极化降低了电场强度。它使更多的电荷沉积。如果电场增加，绝缘体会击穿。介电材料具有高击穿电压。

介电材料对电容的影响

用于电容器中的介电材料增加了电容的有效面积。从而增加了电容的体积效率。如果介电材料是极性分子，则在没有电场的情况下，它们的取向不同。如果施加电场，它们会极化并产生相反方向的电场。这种有效电场的降低称为介电常数 k。电容器的电容增加了 k 倍。

带有介电材料的电容器的电容

让我们考虑两个平行放置的导体极板，它们之间的距离为 d。A 是极板横截面的面积，它们之间的介质为空气。如果将电压 V 加到平行板电容器上，则电容器中的电场为

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

根据高斯定律，电场由下式给出：

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

从公式 (1) 和 (2) 我们得到：

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

$\mathrm{\sigma}$ 表示表面电荷密度。它定义为单位面积上的电荷

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

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

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

电容器的电容定义为电荷与电位差之比。

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

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

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

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

这是没有介电材料的电容器的电容。如果添加介电材料，则电容将变为 $\mathrm{C=\frac{k\epsilon _{0}A}{d}}$

电容器的用途

电容器在许多地方都有使用。它们列在下面。

• 它们用于需要快速释放电荷的设备，例如相机闪光灯和计算机键盘。

• 电容器用于产生和检测高频电磁辐射。

• 它用于长时间储存电能。

• 汽车发动机的点火系统使用电容器来消除火花。

• 它用于制造振荡器、放大器、发射器等。

• 它用于增加或减少交流电路的阻抗。

结论

在本教程中，详细讨论了介电材料和电容。还详细讨论了电容器中介电材料的必要性和介电材料对电容的影响。还讨论了带有介电材料的电容器的电容和电容器的用途。

常见问题

Q1. 什么是介电强度及其单位？

A1. 在电路中产生电击穿所需的最高电压称为介电强度。它用伏特每单位厚度 (v/m) 表示。真空具有高介电强度。

Q2. 什么是介电常数？影响介电常数的因素有哪些？

A2. 介电常数是材料的介电常数与自由空间的介电常数之比。它用 k 表示。

介电常数 $\mathrm{k=\frac{\epsilon }{\epsilon _{0}}}$

介电常数受温度、加热效应、频率、施加电压和湿度影响。

Q3. 介电材料有哪些应用？

A3. 通常，介电材料用作电容器中的储能材料。根据介电材料的性质，它可以是气态、液态或固态介电材料。液晶显示器采用介电材料。介电谐振器振荡器使用陶瓷介电材料。具有高介电常数的介电材料用于增强半导体。使用介电材料涂覆可暴露的组件。

Q4. 电容器的分类是什么？

A4. 电容器分为两种。它们是极性电容器和非极性电容器。极性电容器仅用于一个方向，例如正极或负极。非极性电容器用于滤波器。

Q5. 举一些非极性介电材料的例子？

A5. 它们通常用于电子设备中的滤波电路。为此使用的材料包括陶瓷、纸张、聚合物薄膜和云母。