探究电介质的极化对电容的影响，本文主要内容关键词为：电介质论文,电容论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
两个相互靠近且彼此绝缘的导体组成电容器，电容器的电容等于电容器极板所带电荷量与两极板间的电压的比值，定义式为
。电容器电容的决定式为
，即电容由电介质的介电常数ε、两板正对面积S、两板间距d决定。彼此绝缘的两极板间可以是真空，也可以充入某种绝缘介质。若电容器两极板间充入绝缘的电介质，当在两极板间加电压，电介质就会在电场作用下极化，那么，电介质的极化会对电容器的电容值有何影响？本文通过实验探究电介质的极化对电容的影响。
一、定性分析
将一带电的电容器和测量电势差的金属箔静电计相连，如图1所示。金属箔偏转角度的大小表示两极板间电压的大小。如果电容器充电后与电源脱离，然后在两极板间插入一块电介质，金属箔的张角就减小。因为电容器所带电量不变，而两板间电压降低，这说明电介质的插入增大了电容。
图1
电介质的电子都紧紧地束缚在原子核周围，不能离开。因此，在通常的电场作用下不会导电。但是在电场的影响下，正负电荷出现位移，即正电荷将顺着电场方向，负电荷逆着电场方向，即在介质内形成电偶极子（如图2所示），电偶极子激发的电场叠加于原电场，因而改变了电容器间电场的情况，这将影响电容器的电容。
图2
二、设计实验，定量研究
电介质不处在电场中时，正负电荷排列杂乱无章，对外不显示电性，在外加电场作用下，电荷极化，极化电荷排列出现一定的规律，电介质的极化程度与外加电场的强弱有关，外加电场越强，极化程度越大。这样，我们就可以用外加电场的强弱来定性描述电介质的极化程度。在电容器两板间加不同的电压，电介质的极化程度不同，测量电容器的电容，来探究电容与两板所加电压，也就是电介质的极化程度间的关系。
1.测量电容器的电容
从电容器的电容定义式看来，当给电容器充电时，电容器极板所带电量Q与两板间电压U的比值为电容值，测出电容器两极板间所加电压U，及电压为U时极板所带电量Q，带入定义式就可求得电容。
在电容器放电过程中，电容器两极间电压U随放电时间而减小、放电电流也随时间减小，只要测出放电过程中电流对时间的积分，或放电过程中电压对时间的积分与放电电阻的比值，即为电量Q。
2.利用电容器放电测电容
按图3（下页）连接电路，R为放电电阻，理论上，R越大，测量越精确，此处，我们取R=5kΩ。将电压传感器并联在R两端。打开DIS通用软件，用鼠标点击工具栏中的“组合图线”，在控制面板区域添加电压－时间图线，设置采样频率为500Hz。将电键打到1，给电容器充电，充电完毕（充电时间大约为20s），点击采样控制中“开始”按钮，计算机自动显示电压传感器采集到的电压（此时电压应为零）。将电键打到2，电容器放电，放电完毕（通过计算机屏幕观察，电压趋近0），点击“停止”按钮。电压传感器记录的是电容器的放电电压随时间的变化规律（如图4所示）。用鼠标点击屏幕左侧控制面板区域的“其它处理”按钮，选择“积分”，屏幕上自动显示图线的积分值。积分值除以及的阻值即为电量Q，从而求得电容。多次测量求平均值，可精确测量电容器的电容。
分别取电容值为100μF、220μF、470μF三种规格的电容进行实验，改变两板间电压，使板间电压分别为2V、4V、6V、8V、10V，分别测量在不同充电电压下的电容，记录如下表：
表1
三、实验分析
通过多次实验，利用电容器放电测电容，测得的电容非常准确，多次测量误差不超过1%。同时，为了确保测量的准确性，我们还通过传感器精确读出学生电源所加电压，精确度为1/1000，这样就确保了实验的准确度。
通过实验数据可以看出，当电容器两端电压由较小的值增大时，电容随电压的增大而增大，当电压增大到某一值时，电容随电压增大反而减小。即在一定范围内，电容随电介质极化程度的增强而增大，当电容器两板间电压达到一定值时，电容随电介质极化程度增强而减小。这可能是当电压增大到一定程度时，极化电荷产生的电场叠加在外加电场上，对外电场的影响反而减小的缘故。