Sarcinile interacționează între ele în medii diferite cu forțe diferite, determinate de legea lui Coulomb. Proprietățile acestor medii sunt determinate de o cantitate numită permitivitate.
Conţinut
Ce este constanta dielectrică
Conform legea lui Coulomb, două sarcini cu punct fix q1 și q2 în vid interacționează între ele cu forța dată de formula Fclasă=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), Unde:
- Fclasă este forța Coulomb, N;
- q1, q2 sunt module de încărcare, C;
- r este distanța dintre sarcini, m;
- ε0 - constantă electrică, 8,85 * 10-12 F/m (Faradi pe metru).
Dacă interacțiunea nu are loc în vid, formula include o altă mărime care determină influența materiei asupra forței coulombiane, iar legea coulombiană se scrie după cum urmează:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Această valoare este notată cu litera greacă ε (epsilon), este adimensională (nu are unitate de măsură). Permitivitatea dielectrică este coeficientul de atenuare al interacțiunii sarcinilor dintr-o substanță.
Adesea în fizică, permisivitatea este folosită împreună cu constanta electrică, caz în care este convenabil să se introducă conceptul de permittivitate absolută. Se notează cu εA și este egal cu εA= ε*e. În acest caz, permeabilitatea absolută are dimensiunea F/m. Permeabilitatea obișnuită ε este numită și relativă pentru a o deosebi de εA.
Natura permisivității
Natura permitivității se bazează pe fenomenul de polarizare sub acțiunea unui câmp electric. Majoritatea substanțelor sunt în general neutre din punct de vedere electric, deși conțin particule încărcate. Aceste particule sunt situate aleatoriu în masa materiei și câmpurile lor electrice, în medie, se neutralizează reciproc.
În dielectrici, există în principal sarcini legate (se numesc dipoli). Acești dipoli reprezintă în mod convențional mănunchiuri de două particule diferite, care sunt orientate spontan de-a lungul grosimii dielectricului și, în medie, creează o intensitate a câmpului electric zero. Sub acțiunea unui câmp exterior, dipolii tind să se orienteze în funcție de forța aplicată. Ca rezultat, se creează un câmp electric suplimentar. Fenomene similare apar și în dielectricii nepolari.
În conductoare, procesele sunt similare, doar că există încărcături libere, care sunt separate sub acțiunea unui câmp extern și, de asemenea, își creează propriul câmp electric. Acest câmp este îndreptat spre cel extern, ecranează încărcăturile și reduce puterea interacțiunii lor.Cu cât capacitatea unei substanțe de a polariza este mai mare, cu atât ε este mai mare.
Constanta dielectrică a diferitelor substanțe
Substanțe diferite au constante dielectrice diferite. Valoarea lui ε pentru unele dintre ele este dată în tabelul 1. Este evident că aceste valori sunt mai mari decât unitatea, astfel încât interacțiunea sarcinilor, în comparație cu vidul, scade întotdeauna. De asemenea, trebuie remarcat că pentru aer ε este puțin mai mult decât unitatea, astfel încât interacțiunea sarcinilor în aer practic nu diferă de interacțiunea în vid.
Tabelul 1. Valorile permeabilității electrice pentru diferite substanțe.
| Substanţă | Constanta dielectrică |
|---|---|
| Bachelită | 4,5 |
| Hârtie | 2,0..3,5 |
| Apă | 81 (la +20 grade C) |
| Aer | 1,0002 |
| germaniu | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Lemn | 2.7..7.5 (diverse grade) |
| Ceramica de inginerie radio | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Sticlă | 7 |
| Textolit | 7,5 |
| Polistiren | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluoroplast | 2,1 |
| Chihlimbar | 2,7 |
Constanta dielectrică și capacitatea condensatorului
Cunoașterea valorii lui ε este importantă în practică, de exemplu, atunci când se creează condensatoare electrice. Lor capacitate depinde de dimensiunile geometrice ale plăcilor, distanța dintre ele și permitivitatea dielectricului.
Dacă trebuie să obțineți condensator capacitate crescută, apoi o creștere a suprafeței plăcilor duce la o creștere a dimensiunilor. Există, de asemenea, limite practice pentru reducerea distanței dintre electrozi. În acest caz, utilizarea unui izolator cu constantă dielectrică crescută poate ajuta. Dacă utilizați un material cu ε mai mare, puteți înmulți reducerea dimensiunii plăcilor sau măriți distanța dintre ele fără pierderi capacitate electrică.
Substanțele numite feroelectrice se disting într-o categorie separată, în care, în anumite condiții, are loc polarizarea spontană.În zona luată în considerare, acestea se caracterizează prin două puncte:
- valori mari ale permitivității dielectrice (valori tipice - de la sute la câteva mii);
- capacitatea de a controla valoarea constantei dielectrice prin modificarea câmpului electric extern.
Aceste proprietăți sunt utilizate pentru fabricarea condensatoarelor de mare capacitate (datorită valorii crescute a constantei dielectrice a izolatorului) cu indicatori mici de greutate și dimensiune.
Astfel de dispozitive funcționează numai în circuite de curent alternativ de joasă frecvență - pe măsură ce frecvența crește, constanta lor dielectrică scade. O altă aplicație a feroelectricilor sunt condensatoarele variabile, ale căror caracteristici se modifică sub influența unui câmp electric aplicat cu parametri variabili.
Constanta dielectrică și pierderi dielectrice
De asemenea, pierderile în dielectric depind de valoarea constantei dielectrice - aceasta este partea de energie care se pierde în dielectric pentru a-l încălzi. Pentru a descrie aceste pierderi, se folosește de obicei parametrul tan δ - tangenta unghiului de pierdere dielectrică. Caracterizează puterea pierderilor dielectrice într-un condensator, în care dielectricul este realizat dintr-un material cu un tg δ disponibil. Și pierderea de putere specifică pentru fiecare substanță este determinată de formula p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, unde:
- p este pierderea de putere specifică, W;
- ώ=2*π*f este frecvența circulară a câmpului electric;
- E este intensitatea câmpului electric, V/m.
Evident, cu cât constanta dielectrică este mai mare, cu atât pierderile în dielectric sunt mai mari, toate celelalte lucruri fiind egale.
Dependența permisivității de factori externi
De remarcat faptul că valoarea permisivității depinde de frecvența câmpului electric (în acest caz, de frecvența tensiunii aplicate plăcilor). Pe măsură ce frecvența crește, valoarea lui ε scade pentru multe substanțe. Acest efect este pronunțat pentru dielectricii polari. Acest fenomen poate fi explicat prin faptul că sarcinile (dipolii) nu mai au timp să urmărească câmpul. Pentru substanțele care sunt caracterizate prin polarizare ionică sau electronică, dependența permisivității de frecvență este mică.
Prin urmare, selecția materialelor pentru realizarea unui dielectric condensator este atât de importantă. Ceea ce funcționează la frecvențe joase nu va asigura neapărat o bună izolare la frecvențe înalte. Cel mai adesea, dielectricii nepolari sunt utilizați ca izolator la HF.
De asemenea, constanta dielectrică depinde de temperatură și de diferite substanțe în moduri diferite. Pentru dielectricii nepolari, acesta scade odată cu creșterea temperaturii. În acest caz, pentru condensatoarele realizate folosind un astfel de izolator, se vorbește despre un coeficient de temperatură negativ al capacității (TKE) - capacitate scade odată cu creșterea temperaturii după ε. Pentru alte substanțe, permeabilitatea crește odată cu creșterea temperaturii și se pot obține condensatoare cu TKE pozitiv. Prin includerea condensatoarelor cu TKE opus într-o pereche, puteți obține o capacitate stabilă termic.
Înțelegerea esenței și cunoașterea valorii permisivității diferitelor substanțe este importantă în scopuri practice. Iar capacitatea de a controla nivelul constantei dielectrice oferă perspective tehnice suplimentare.
Articole similare:
