Ładunki oddziałują ze sobą w różnych ośrodkach z różnymi siłami, określonymi przez prawo Coulomba. Właściwości tych mediów są określone wielkością zwaną przenikalnością.
Zawartość
Co to jest stała dielektryczna?
Według prawo Coulomba, dwie opłaty punktowe q1 i q2 w próżni oddziałują ze sobą z siłą podaną przez wzór Fklasa=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), gdzie:
- Fklasa jest siłą Coulomba, N;
- q1, q2 to moduły ładujące, C;
- r jest odległością między ładunkami, m;
- ε0 - stała elektryczna 8,85*10-12 F/m (Farad na metr).
Jeśli oddziaływanie nie zachodzi w próżni, wzór zawiera inną wielkość, która określa wpływ materii na siłę Coulomba, a prawo Coulomba jest zapisane w następujący sposób:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Ta wartość jest oznaczona grecką literą ε (epsilon), jest bezwymiarowa (nie ma jednostki miary). Przenikalność dielektryczna to współczynnik tłumienia oddziaływania ładunków w substancji.
Często w fizyce przenikalność jest używana w połączeniu ze stałą elektryczną, w którym to przypadku wygodnie jest wprowadzić pojęcie przenikalności absolutnej. Jest oznaczony przez εa i jest równy εa= ε*mi. W tym przypadku przepuszczalność bezwzględna ma wymiar F/m. Zwykła przepuszczalność ε jest również nazywana relatywną, aby odróżnić ją od εa.
Charakter przenikalności
Charakter przenikalności opiera się na zjawisku polaryzacji pod działaniem pola elektrycznego. Większość substancji jest na ogół obojętna elektrycznie, chociaż zawierają naładowane cząstki. Cząstki te znajdują się losowo w masie materii, a ich pola elektryczne średnio się neutralizują.
W dielektrykach występują głównie ładunki związane (nazywane są dipolami). Te dipole konwencjonalnie reprezentują wiązki dwóch odmiennych cząstek, które są spontanicznie zorientowane wzdłuż grubości dielektryka i średnio wytwarzają zerowe natężenie pola elektrycznego. Pod wpływem pola zewnętrznego dipole mają tendencję do orientowania się zgodnie z przyłożoną siłą. W efekcie powstaje dodatkowe pole elektryczne. Podobne zjawiska występują również w dielektrykach niepolarnych.
W przewodnikach procesy przebiegają podobnie, z tą różnicą, że występują wolne ładunki, które rozdzielają się pod działaniem pola zewnętrznego i również wytwarzają własne pole elektryczne. Pole to skierowane jest na zewnętrzne, ekranuje ładunki i zmniejsza siłę ich oddziaływania.Im większa zdolność substancji do polaryzacji, tym wyższe ε.
Stała dielektryczna różnych substancji
Różne substancje mają różne stałe dielektryczne. Wartość ε dla niektórych z nich podano w tabeli 1. Oczywiste jest, że wartości te są większe od jedności, więc oddziaływanie ładunków w porównaniu z próżnią zawsze maleje. Należy również zauważyć, że dla powietrza ε wynosi nieco więcej niż jedność, więc oddziaływanie ładunków w powietrzu praktycznie nie różni się od oddziaływania w próżni.
Tabela 1. Wartości przepuszczalności elektrycznej dla różnych substancji.
| Substancja | Stała dielektryczna |
|---|---|
| Bakelit | 4,5 |
| Papier | 2,0..3,5 |
| Woda | 81 (przy +20 st. C) |
| Powietrze | 1,0002 |
| German | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Drewno | 2.7..7.5 (różne stopnie) |
| Ceramika radiotechniczna | 10..200 |
| Mika | 5,7..11,5 |
| Szkło | 7 |
| Tekstolit | 7,5 |
| Polistyren | 2,5 |
| PCV | 3 |
| Fluoroplast | 2,1 |
| Bursztyn | 2,7 |
Stała dielektryczna i pojemność kondensatora
Znajomość wartości ε jest ważna w praktyce, na przykład przy tworzeniu kondensatorów elektrycznych. Ich Pojemność zależy od wymiarów geometrycznych płytek, odległości między nimi i przenikalności dielektryka.
Jeśli potrzebujesz kondensator zwiększona pojemność, wówczas zwiększenie powierzchni płytek prowadzi do zwiększenia wymiarów. Istnieją również praktyczne ograniczenia w zmniejszaniu odległości między elektrodami. W takim przypadku pomocne może być zastosowanie izolatora o podwyższonej stałej dielektrycznej. Jeśli użyjesz materiału o wyższym ε, możesz pomnożyć rozmiar płyt lub zwiększyć odległość między nimi bez strat moc elektryczna.
Substancje zwane ferroelektrykami wyróżnia się do osobnej kategorii, w której w określonych warunkach zachodzi polaryzacja spontaniczna.W rozpatrywanym obszarze charakteryzują się dwoma punktami:
- duże wartości przenikalności dielektrycznej (wartości typowe - od setek do kilku tysięcy);
- możliwość kontrolowania wartości stałej dielektrycznej poprzez zmianę zewnętrznego pola elektrycznego.
Właściwości te są wykorzystywane do produkcji kondensatorów o dużej pojemności (ze względu na zwiększoną wartość stałej dielektrycznej izolatora) o niewielkich wskaźnikach masy i wielkości.
Takie urządzenia działają tylko w obwodach prądu przemiennego o niskiej częstotliwości - wraz ze wzrostem częstotliwości ich stała dielektryczna maleje. Innym zastosowaniem ferroelektryków są kondensatory zmienne, których charakterystyka zmienia się pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego o zmiennych parametrach.
Stała dielektryczna i straty dielektryczne
Również straty w dielektryku zależą od wartości stałej dielektrycznej - jest to część energii, która jest tracona w dielektryku na jego ogrzanie. Do opisu tych strat stosuje się zwykle parametr tan δ - tangens kąta strat dielektrycznych. Charakteryzuje moc strat dielektrycznych w kondensatorze, w którym dielektryk wykonany jest z materiału o dostępnym tg δ. A specyficzna strata mocy dla każdej substancji jest określona wzorem p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, gdzie:
- p jest jednostkową stratą mocy, W;
- ώ=2*π*f to częstotliwość kołowa pola elektrycznego;
- E to natężenie pola elektrycznego, V/m.
Oczywiście, im wyższa stała dielektryczna, tym większe straty w dielektryku, wszystkie inne rzeczy są równe.
Zależność przenikalności od czynników zewnętrznych
Należy zauważyć, że wartość przenikalności zależy od częstotliwości pola elektrycznego (w tym przypadku od częstotliwości napięcia przyłożonego do płytek). Wraz ze wzrostem częstotliwości wartość ε maleje dla wielu substancji. Efekt ten jest wyraźny w przypadku dielektryków polarnych. Zjawisko to można wytłumaczyć tym, że ładunki (dipole) przestają mieć czas na podążanie za polem. Dla substancji charakteryzujących się polaryzacją jonową lub elektronową zależność przenikalności elektrycznej od częstotliwości jest niewielka.
Dlatego tak ważny jest dobór materiałów do wykonania dielektryka kondensatora. To, co działa przy niskich częstotliwościach, niekoniecznie zapewni dobrą izolację przy wysokich częstotliwościach. Najczęściej jako izolator na HF stosuje się niepolarne dielektryki.
Również stała dielektryczna zależy od temperatury iw różnych substancjach w różny sposób. W przypadku dielektryków niepolarnych maleje wraz ze wzrostem temperatury. W tym przypadku dla kondensatorów wykonanych przy użyciu takiego izolatora mówią o ujemnym współczynniku temperaturowym pojemności (TKE) - Pojemność maleje wraz ze wzrostem temperatury po ε. W przypadku innych substancji przepuszczalność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i można uzyskać kondensatory o dodatnim TKE. Łącząc w parę kondensatory z przeciwstawnym TKE, można uzyskać termicznie stabilną pojemność.
Zrozumienie istoty i znajomość wartości przenikalności różnych substancji jest ważne dla celów praktycznych. A możliwość kontrolowania poziomu stałej dielektrycznej daje dodatkowe perspektywy techniczne.
Podobne artykuły:
