Laddningar interagerar med varandra i olika medier med olika krafter, bestämt av Coulombs lag. Dessa mediers egenskaper bestäms av en kvantitet som kallas permittiviteten.
Innehåll
Vad är dielektrisk konstant
Enligt Coulombs lag, två fasta punktladdningar q1 och q2 i vakuum interagera med varandra med kraften som ges av formeln Fklass=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), var:
- Fklass är Coulomb-kraften, N;
- q1, q2 är laddningsmoduler, C;
- r är avståndet mellan laddningar, m;
- ε0 - elektrisk konstant, 8,85 * 10-12 F/m (Farad per meter).
Om interaktionen inte sker i ett vakuum innehåller formeln ytterligare en storhet som bestämmer materiens inflytande på Coulomb-kraften, och Coulomb-lagen skrivs så här:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Detta värde betecknas med den grekiska bokstaven ε (epsilon), det är dimensionslöst (har ingen måttenhet). Dielektrisk permittivitet är dämpningskoefficienten för växelverkan mellan laddningar i ett ämne.
Ofta inom fysiken används permittiviteten i samband med den elektriska konstanten, i vilket fall det är lämpligt att introducera begreppet absolut permittivitet. Det betecknas med εa och är lika med εa= ε*e. I detta fall har den absoluta permeabiliteten dimensionen F/m. Vanlig permeabilitet ε kallas också relativ för att skilja den från εa.
Permittivitetens natur
Permittivitetens natur är baserad på fenomenet polarisering under inverkan av ett elektriskt fält. De flesta ämnen är i allmänhet elektriskt neutrala, även om de innehåller laddade partiklar. Dessa partiklar är placerade slumpmässigt i materiens massa och deras elektriska fält neutraliserar i genomsnitt varandra.
I dielektrikum finns det främst bundna laddningar (de kallas dipoler). Dessa dipoler representerar konventionellt knippen av två olika partiklar, som är spontant orienterade längs tjockleken av dielektrikumet och i genomsnitt skapar en elektrisk fältstyrka av noll. Under inverkan av ett yttre fält tenderar dipolerna att orientera sig i enlighet med den applicerade kraften. Som ett resultat skapas ytterligare ett elektriskt fält. Liknande fenomen förekommer även i opolära dielektrika.
I ledare är processerna lika, bara det finns fria laddningar, som separeras under verkan av ett externt fält och skapar också sitt eget elektriska fält. Detta fält är riktat mot det yttre, skärmar av laddningarna och minskar styrkan i deras interaktion.Ju större förmåga ett ämne har att polarisera, desto högre ε.
Dielektrisk konstant för olika ämnen
Olika ämnen har olika dielektriska konstanter. Värdet på ε för några av dem anges i tabell 1. Det är uppenbart att dessa värden är större än enhet, så interaktionen av laddningar, i jämförelse med vakuum, minskar alltid. Det bör också noteras att för luft är ε något mer än enhet, så interaktionen av laddningar i luft skiljer sig praktiskt taget inte från interaktionen i vakuum.
Tabell 1. Värden på elektrisk permeabilitet för olika ämnen.
| Ämne | Dielektricitetskonstanten |
|---|---|
| Bakelit | 4,5 |
| Papper | 2,0..3,5 |
| Vatten | 81 (vid +20 grader C) |
| Luft | 1,0002 |
| Germanium | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Trä | 2.7..7.5 (olika betyg) |
| Radioteknisk keramik | 10..200 |
| Glimmer | 5,7..11,5 |
| Glas | 7 |
| Textolit | 7,5 |
| Polystyren | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluoroplast | 2,1 |
| Bärnsten | 2,7 |
Dielektrisk konstant och kondensatorns kapacitans
Att känna till värdet av ε är viktigt i praktiken, till exempel när man skapar elektriska kondensatorer. Dem kapacitet beror på plattornas geometriska dimensioner, avståndet mellan dem och dielektrikumets permittivitet.
Om du behöver få kondensator ökad kapacitet, då leder en ökning av plattornas yta till en ökning av dimensionerna. Det finns också praktiska begränsningar för att minska avståndet mellan elektroderna. I det här fallet kan användningen av en isolator med ökad dielektricitetskonstant hjälpa. Om du använder ett material med högre ε kan du multiplicera minska storleken på plattorna eller öka avståndet mellan dem utan att förlora elektrisk kapacitet.
Ämnen som kallas ferroelektriska ämnen särskiljs i en separat kategori, där spontan polarisering uppstår under vissa förhållanden.I det aktuella området kännetecknas de av två punkter:
- stora värden för dielektrisk permittivitet (typiska värden - från hundratals till flera tusen);
- förmågan att styra värdet på dielektricitetskonstanten genom att ändra det externa elektriska fältet.
Dessa egenskaper används för tillverkning av kondensatorer med hög kapacitet (på grund av det ökade värdet på isolatorns dielektriska konstant) med små vikt- och storleksindikatorer.
Sådana enheter fungerar endast i lågfrekventa växelströmskretsar - när frekvensen ökar, minskar deras dielektriska konstant. En annan tillämpning av ferroelektrik är variabla kondensatorer, vars egenskaper förändras under påverkan av ett pålagt elektriskt fält med varierande parametrar.
Dielektriska konstanta och dielektriska förluster
Förluster i dielektrikumet beror också på värdet på dielektrikumet - detta är den del av energin som går förlorad i dielektrikumet för att värma upp det. För att beskriva dessa förluster används vanligtvis parametern tan δ - tangenten för den dielektriska förlustvinkeln. Det kännetecknar kraften hos dielektriska förluster i en kondensator, där dielektrikumet är tillverkat av ett material med en tillgänglig tg δ. Och den specifika effektförlusten för varje ämne bestäms av formeln p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, där:
- p är den specifika effektförlusten, W;
- ώ=2*π*f är det elektriska fältets cirkulära frekvens;
- E är den elektriska fältstyrkan, V/m.
Uppenbarligen, ju högre dielektricitetskonstanten är, desto högre är förlusterna i dielektrikumet, allt annat lika.
Permittivitetens beroende av yttre faktorer
Det bör noteras att värdet på permittiviteten beror på frekvensen av det elektriska fältet (i detta fall på frekvensen av spänningen som appliceras på plattorna). När frekvensen ökar minskar värdet på ε för många ämnen. Denna effekt är uttalad för polära dielektrika. Detta fenomen kan förklaras av att laddningarna (dipolerna) upphör att hinna följa fältet. För ämnen som kännetecknas av jonisk eller elektronisk polarisation är permittivitetens beroende av frekvensen litet.
Därför är valet av material för att tillverka en kondensator dielektrisk så viktigt. Det som fungerar vid låga frekvenser ger inte nödvändigtvis bra isolering vid höga frekvenser. Oftast används opolära dielektrika som isolator vid HF.
Dessutom beror dielektricitetskonstanten på temperatur och i olika ämnen på olika sätt. För opolär dielektrikum minskar den med ökande temperatur. I det här fallet, för kondensatorer tillverkade med en sådan isolator, talar de om en negativ temperaturkoefficient för kapacitans (TKE) - kapacitet minskar med ökande temperatur efter ε. För andra ämnen ökar permeabiliteten med ökande temperatur och kondensatorer med positiv TKE kan erhållas. Genom att inkludera kondensatorer med motsatt TKE i ett par kan man få en termiskt stabil kapacitans.
Att förstå essensen och kunskapen om värdet av permittiviteten för olika ämnen är viktigt för praktiska ändamål. Och möjligheten att kontrollera nivån på dielektricitetskonstanten ger ytterligare tekniska perspektiv.
Liknande artiklar:
