Ladninger samhandler med hverandre i forskjellige medier med forskjellige krefter, bestemt av Coulombs lov. Egenskapene til disse mediene bestemmes av en mengde som kalles permittivitet.
Innhold
Hva er dielektrisk konstant
I følge Coulombs lov, to faste punktladinger q1 og q2 i vakuum samhandle med hverandre med kraften gitt av formelen Fklasse=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), hvor:
- Fklasse er Coulomb-kraften, N;
- q1, q2 er lademoduler, C;
- r er avstanden mellom ladninger, m;
- ε0 - elektrisk konstant, 8,85 * 10-12 F/m (Farad per meter).
Hvis interaksjonen ikke finner sted i et vakuum, inkluderer formelen en annen mengde som bestemmer påvirkningen av materie på Coulomb-kraften, og Coulomb-loven er skrevet som følger:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Denne verdien er angitt med den greske bokstaven ε (epsilon), den er dimensjonsløs (har ingen måleenhet). Dielektrisk permittivitet er dempningskoeffisienten for samspillet mellom ladninger i et stoff.
Ofte i fysikk brukes permittiviteten i forbindelse med den elektriske konstanten, i så fall er det praktisk å introdusere begrepet absolutt permittivitet. Det er betegnet med εen og er lik εen= ε*e. I dette tilfellet har den absolutte permeabiliteten dimensjonen F/m. Vanlig permeabilitet ε kalles også relativ for å skille den fra εen.
Permittivitetens natur
Permittivitetens natur er basert på fenomenet polarisering under påvirkning av et elektrisk felt. De fleste stoffer er generelt elektrisk nøytrale, selv om de inneholder ladede partikler. Disse partiklene er tilfeldig plassert i massen av materie, og deres elektriske felt nøytraliserer i gjennomsnitt hverandre.
I dielektrikum er det hovedsakelig bundne ladninger (de kalles dipoler). Disse dipolene representerer konvensjonelt bunter av to forskjellige partikler, som er spontant orientert langs tykkelsen av dielektrikumet og i gjennomsnitt skaper en null elektrisk feltstyrke. Under påvirkning av et eksternt felt har dipolene en tendens til å orientere seg i henhold til den påførte kraften. Som et resultat skapes et ekstra elektrisk felt. Lignende fenomener forekommer også i upolare dielektriske stoffer.
I ledere er prosessene like, bare det er gratis ladninger, som er separert under påvirkning av et eksternt felt og også skaper sitt eget elektriske felt. Dette feltet er rettet mot det ytre, skjermer ladningene og reduserer styrken av deres interaksjon.Jo større evne et stoff har til å polarisere, jo høyere ε.
Dielektrisk konstant for ulike stoffer
Ulike stoffer har forskjellige dielektriske konstanter. Verdien av ε for noen av dem er gitt i tabell 1. Det er åpenbart at disse verdiene er større enn enhet, så samspillet mellom ladninger, sammenlignet med vakuum, avtar alltid. Det skal også bemerkes at for luft er ε litt mer enn enhet, så samspillet mellom ladninger i luft skiller seg praktisk talt ikke fra interaksjonen i vakuum.
Tabell 1. Verdier av elektrisk permeabilitet for ulike stoffer.
| Substans | Den dielektriske konstanten |
|---|---|
| Bakelitt | 4,5 |
| Papir | 2,0..3,5 |
| Vann | 81 (ved +20 grader C) |
| Luft | 1,0002 |
| Germanium | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Tre | 2.7..7.5 (ulike karakterer) |
| Radioteknisk keramikk | 10..200 |
| Glimmer | 5,7..11,5 |
| Glass | 7 |
| Tekstolitt | 7,5 |
| Polystyren | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluoroplast | 2,1 |
| Rav | 2,7 |
Dielektrisk konstant og kapasitans til kondensatoren
Å kjenne verdien av ε er viktig i praksis, for eksempel når man lager elektriske kondensatorer. Dem kapasitet avhenger av de geometriske dimensjonene til platene, avstanden mellom dem og dielektrikumets permittivitet.
Hvis du trenger å få kondensator økt kapasitet, så fører en økning i platenes areal til en økning i dimensjonene. Det er også praktiske grenser for å redusere avstanden mellom elektrodene. I dette tilfellet kan bruk av en isolator med økt dielektrisk konstant hjelpe. Hvis du bruker et materiale med høyere ε, kan du multiplisere redusere størrelsen på platene eller øke avstanden mellom dem uten tap elektrisk kapasitet.
Stoffer som kalles ferroelektriske stoffer skilles ut i en egen kategori, der spontan polarisering oppstår under visse forhold.I det aktuelle området er de preget av to punkter:
- store verdier av dielektrisk permittivitet (typiske verdier - fra hundrevis til flere tusen);
- evnen til å kontrollere verdien av dielektrisitetskonstanten ved å endre det eksterne elektriske feltet.
Disse egenskapene brukes til fremstilling av kondensatorer med høy kapasitet (på grunn av den økte verdien av isolatorens dielektriske konstant) med små vekt- og størrelsesindikatorer.
Slike enheter fungerer bare i lavfrekvente vekselstrømkretser - når frekvensen øker, reduseres deres dielektriske konstant. En annen anvendelse av ferroelektrikk er variable kondensatorer, hvis egenskaper endres under påvirkning av et påført elektrisk felt med varierende parametere.
Dielektriske konstante og dielektriske tap
Også tap i dielektrikumet avhenger av verdien av dielektrikumet - dette er den delen av energien som går tapt i dielektrikumet for å varme det opp. For å beskrive disse tapene brukes vanligvis parameteren tan δ - tangenten til den dielektriske tapsvinkelen. Det karakteriserer kraften til dielektriske tap i en kondensator, der dielektrikumet er laget av et materiale med en tilgjengelig tg δ. Og det spesifikke krafttapet for hvert stoff bestemmes av formelen p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, hvor:
- p er det spesifikke effekttapet, W;
- ώ=2*π*f er den sirkulære frekvensen til det elektriske feltet;
- E er den elektriske feltstyrken, V/m.
Jo høyere dielektrisitetskonstanten er, jo høyere tap i dielektrikumet, alt annet like.
Permittivitetens avhengighet av ytre faktorer
Det skal bemerkes at verdien av permittiviteten avhenger av frekvensen til det elektriske feltet (i dette tilfellet av frekvensen til spenningen som påføres platene). Når frekvensen øker, synker verdien av ε for mange stoffer. Denne effekten er uttalt for polare dielektriske stoffer. Dette fenomenet kan forklares med at ladningene (dipolene) slutter å ha tid til å følge feltet. For stoffer som er preget av ionisk eller elektronisk polarisering, er permittivitetens avhengighet av frekvens liten.
Derfor er valget av materialer for å lage en kondensator dielektrisk så viktig. Det som fungerer ved lave frekvenser vil ikke nødvendigvis gi god isolasjon ved høye frekvenser. Oftest brukes ikke-polare dielektriske stoffer som isolator ved HF.
Også den dielektriske konstanten avhenger av temperatur, og i forskjellige stoffer på forskjellige måter. For ikke-polare dielektriske stoffer avtar den med økende temperatur. I dette tilfellet, for kondensatorer laget ved hjelp av en slik isolator, snakker de om en negativ temperaturkoeffisient av kapasitans (TKE) - kapasitet avtar med økende temperatur etter ε. For andre stoffer øker permeabiliteten med økende temperatur, og kondensatorer med positiv TKE kan fås. Ved å inkludere kondensatorer med motsatt TKE i et par, kan du få en termisk stabil kapasitans.
Å forstå essensen og kunnskapen om verdien av permittiviteten til ulike stoffer er viktig for praktiske formål. Og muligheten til å kontrollere nivået av dielektrisk konstant gir ytterligere tekniske perspektiver.
Lignende artikler:
