Ładunki oddziałują na siebie w różnych ośrodkach z różną siłą, co jest regulowane prawem Coulomba. O właściwościach tych mediów decyduje wielkość zwana stałą dielektryczną.
Spis treści
Co to jest przenikalność dielektryczna
Według Prawo Coulombaistnieją dwa punktowo stacjonarne ładunki q1 i q2 w próżni oddziałują z siłą określoną wzorem Fkl= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), gdzie:
- Fkl - to siła Coulomba, N;
- q1, q2 - moduły ładunków, kl;
- r to odległość między ładunkami, m;
- ε0 - stała elektryczna, 8,85*10-12 F/m (Farad na metr).
Jeśli oddziaływanie nie odbywa się w próżni, we wzorze pojawia się kolejna wielkość określająca wpływ substancji na siłę Coulomba, a zapis prawa Coulomba wygląda następująco
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Wielkość ta jest oznaczana grecką literą ε (epsilon) i jest bezwymiarowa (nie ma jednostki miary). Stała dielektryczna to współczynnik tłumienia wzajemnego oddziaływania ładunków w materii.
Często w fizyce stała dielektryczna jest używana łącznie ze stałą elektryczną, w takim przypadku wygodnie jest wprowadzić pojęcie bezwzględnej stałej dielektrycznej. Jest to oznaczane przez εa i jest równa εa= ε* ε. W tym przypadku przepuszczalność bezwzględna ma wymiar F/m. Przenikalność normalna ε jest również nazywana przenikalnością względną, aby odróżnić ją od εa.
Charakter przenikalności dielektrycznej
Charakter przenikalności dielektrycznej opiera się na zjawisku polaryzacji pod wpływem pola elektrycznego. Większość substancji jest na ogół elektrycznie obojętna, choć zawierają one cząstki naładowane. Cząstki te są chaotycznie rozmieszczone w masie materii, a ich pola elektryczne średnio się wzajemnie neutralizują.
Dielektryki zawierają głównie ładunki związane (zwane dipolami). Dipole te to umownie wiązki dwóch niepodobnych cząstek, które są spontanicznie zorientowane wzdłuż grubości dielektryka i średnio wytwarzają zerowe natężenie pola elektrycznego. Pod wpływem działania pola zewnętrznego dipole mają tendencję do orientowania się zgodnie z przyłożoną siłą. Powoduje to powstanie dodatkowego pola elektrycznego. Podobne zjawiska występują w dielektrykach niepolarnych.
Przewodniki działają w podobny sposób, ale mają swobodne ładunki, które są oddzielone zewnętrznym polem i mogą wytwarzać własne pole elektryczne. Pole to jest skierowane przeciwko polu zewnętrznemu, osłaniając ładunki i zmniejszając siłę ich oddziaływania. Im większa zdolność substancji do polaryzacji, tym wyższe ε.
Stała dielektryczna różnych substancji
Różne substancje mają różną przenikalność dielektryczną. Wartość ε dla niektórych z nich przedstawiono w tabeli 1. Oczywiście wartości te są większe od jedności, więc wzajemne oddziaływanie ładunków w porównaniu z próżnią zawsze maleje. Należy również zauważyć, że dla powietrza ε jest nieco większe od jedności, a więc oddziaływanie ładunków w powietrzu praktycznie nie różni się od oddziaływania w próżni.
Tabela 1. Wartości przenikalności elektrycznej dla różnych substancji.
| Substancja | Przenikalność |
|---|---|
| Bakelit | 4,5 |
| Papier | 2,0..3,5 |
| Woda | 81 (przy +20°C) |
| Powietrze | 1,0002 |
| german | 16 |
| Gethinax | 5..6 |
| Drewno | 2.7..7.5 (różne klasy) |
| Ceramika Ceramika radiowa | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Szkło | 7 |
| Textolite | 7,5 |
| Polistyren | 2,5 |
| Polichlorek winylu | 3 |
| Fluoroplastik | 2,1 |
| Amber | 2,7 |
Stała dielektryczna i pojemność kondensatora
Znajomość wartości ε jest ważna w praktyce, np. przy projektowaniu kondensatorów elektrycznych. Ich kapacytancja zależy od wymiarów geometrycznych wkładek, odległości między nimi oraz stałej dielektrycznej dielektryka.
Jeśli chcesz zrobić kondensator kondensator Jeśli elektrody mają większą pojemność, to zwiększenie powierzchni okładek zwiększa ich rozmiar. Istnieją również praktyczne ograniczenia dotyczące zmniejszenia odległości między elektrodami. W tym przypadku pomocne może być zastosowanie izolatora o zwiększonej stałej dielektrycznej. Jeśli zastosuje się materiał o wyższym ε, można zmniejszyć rozmiar elektrod lub zwiększyć odległość między elektrodami bez utraty jakości. pojemność elektryczna.
Osobną kategorią materiałów są ferroelektryki, które w pewnych warunkach mogą wykazywać spontaniczną polaryzację. W omawianej dziedzinie charakteryzują je dwie rzeczy:
- duże wartości przenikalności dielektrycznej (typowe wartości wahają się od setek do kilku tysięcy);
- możliwość kontrolowania wartości przenikalności dielektrycznej poprzez zmianę zewnętrznego pola elektrycznego.
Właściwości te wykorzystuje się do produkcji kondensatorów o dużej pojemności (poprzez zwiększenie stałej dielektrycznej izolatora) i małych wymiarach.
Urządzenia te działają tylko w obwodach prądu przemiennego o niskiej częstotliwości - wraz ze wzrostem częstotliwości spada ich stała dielektryczna. Innym zastosowaniem dielektryków segmentowych są kondensatory zmienne, których charakterystyka zmienia się pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego o zmiennych parametrach.
Przenikalność dielektryczna i straty dielektryczne
Straty dielektryczne, czyli ta część energii, która jest tracona w dielektryku na ciepło, również zależą od stałej dielektrycznej. Parametr tg δ, tangens kąta strat dielektrycznych, jest powszechnie stosowany do opisu tych strat. Charakteryzuje on moc strat dielektrycznych w kondensatorze, w którym dielektryk jest wykonany z materiału o dostępnej wartości tg δ. Siłę strat właściwą dla każdej substancji określa wzór p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, gdzie
- p to moc właściwa strat, W;
- ώ=2*π*f - częstotliwość kołowa pola elektrycznego;
- E - natężenie pola elektrycznego, V/m.
Oczywiste jest, że im większa jest przenikalność dielektryka, tym większe są straty w dielektryku, przy czym pozostałe warunki są takie same.
Zależność przenikalności dielektrycznej od czynników zewnętrznych
Należy zauważyć, że wartość przenikalności dielektrycznej zależy od częstotliwości pola elektrycznego (w tym przypadku od częstotliwości napięcia przyłożonego do pasków). Wraz ze wzrostem częstotliwości wartość ε dla wielu substancji spada. Efekt ten jest wyraźny w przypadku dielektryków polarnych. Zjawisko to można wyjaśnić faktem, że ładunki (dipole) nie mają już czasu na podążanie za polem. W substancjach, które charakteryzują się polaryzacją jonową lub elektronową, zależność stałej dielektrycznej od częstotliwości jest niewielka.
Dlatego tak ważny jest dobór materiałów do wykonania dielektryka kondensatora. To, co sprawdza się przy niskich częstotliwościach, niekoniecznie zapewni dobrą izolację przy wysokich częstotliwościach. Najczęściej dielektryki niepolarne są stosowane jako izolatory przy wysokich częstotliwościach.
Stała dielektryczna zależy również od temperatury i jest różna dla różnych substancji. W dielektrykach niepolarnych spada ona wraz ze wzrostem temperatury. W tym przypadku dla kondensatorów wykonanych z takim izolatorem mówi się o ujemnym temperaturowym współczynniku pojemności (TKE) Pojemność spada wraz ze wzrostem temperatury po ε. W przypadku innych substancji przenikalność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i można uzyskać kondensatory o dodatnim współczynniku TKE. Łącząc w pary kondensatory o przeciwnych współczynnikach TKE, można uzyskać pojemność termostabilną.
Zrozumienie i znajomość stałej dielektrycznej różnych substancji jest ważne dla celów praktycznych. A możliwość kontrolowania poziomu stałej dielektrycznej daje dodatkowe perspektywy techniczne.
Powiązane artykuły:
