Náboje na sebe v různých prostředích působí různou silou, která se řídí Coulombovým zákonem. Vlastnosti těchto médií určuje veličina zvaná dielektrická konstanta.
Obsah
Jaká je dielektrická permitivita
Podle Coulombův zákonexistují dva bodově stacionární náboje q1 a q2 ve vakuu působí silou danou vzorcem Fcl= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), kde:
- Fcl - je Coulombova síla, N;
- q1, q2 - jsou moduly nábojů, kl;
- r je vzdálenost mezi náboji, m;
- ε0 - elektrická konstanta, 8,85*10-12 F/m (Farad na metr).
Pokud interakce neprobíhá ve vakuu, vzorec obsahuje další veličinu určující vliv látky na Coulombovu sílu a zápis Coulombova zákona vypadá takto
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Tato veličina se označuje řeckým písmenem ε (epsilon) a je bezrozměrná (nemá měrnou jednotku). Dielektrická konstanta je koeficient útlumu vzájemného působení nábojů v látce.
Ve fyzice se dielektrická konstanta často používá ve spojení s elektrickou konstantou a v takovém případě je vhodné zavést pojem absolutní dielektrická konstanta. To se označuje εa a rovná se εa= ε* ε. V tomto případě je absolutní permeabilita v rozměru F/m. Normální permeabilita ε se také nazývá relativní permeabilita, aby se odlišila od εa.
Charakter dielektrické permitivity
Podstata dielektrické permitivity je založena na jevu polarizace při působení elektrického pole. Většina látek je obecně elektricky neutrální, i když obsahují nabité částice. Tyto částice jsou v hmotě uspořádány chaoticky a jejich elektrická pole se v průměru vzájemně neutralizují.
Dielektrika obsahují převážně vázané náboje (tzv. dipóly). Tyto dipóly jsou obvykle svazky dvou různorodých částic, které jsou samovolně orientovány podél tloušťky dielektrika a v průměru vytvářejí nulovou intenzitu elektrického pole. Působením vnějšího pole mají dipóly tendenci orientovat se podle působící síly. Tím se vytvoří další elektrické pole. K podobným jevům dochází i u nepolárních dielektrik.
Vodiče fungují podobně, ale mají volné náboje, které jsou odděleny vnějším polem a mohou vytvářet vlastní elektrické pole. Toto pole je namířeno proti vnějšímu poli, stíní náboje a snižuje sílu jejich interakce. Čím větší je polarizační schopnost látky, tím vyšší je ε.
Dielektrická konstanta různých látek
Různé látky mají různé dielektrické permitivity. Hodnota ε pro některé z nich je uvedena v tabulce 1. Je zřejmé, že tyto hodnoty jsou větší než jednota, takže interakce nábojů se ve srovnání s vakuem vždy zmenšuje. Je také nutné poznamenat, že pro vzduch je ε o něco větší než jednota, a proto se interakce nábojů ve vzduchu prakticky neliší od interakce ve vakuu.
Tabulka 1. Hodnoty elektrické propustnosti pro různé látky.
| Látka | Permitivita |
|---|---|
| Bakelit | 4,5 |
| Papír | 2,0..3,5 |
| Voda | 81 (při +20 °C) |
| Vzduch | 1,0002 |
| Germanium | 16 |
| Gethinax | 5..6 |
| Dřevo | 2.7..7.5 (různé stupně) |
| Keramika Rádiová keramika | 10..200 |
| Slída | 5,7..11,5 |
| Sklo | 7 |
| Textolit | 7,5 |
| Polystyren | 2,5 |
| Polyvinylchlorid | 3 |
| Fluoroplasty | 2,1 |
| Amber | 2,7 |
Dielektrická konstanta a kapacita kondenzátoru
Znalost hodnoty ε je důležitá v praxi, např. při návrhu elektrických kondenzátorů. Jejich kapacita závisí na geometrických rozměrech vložek, vzdálenosti mezi nimi a dielektrické konstantě dielektrika.
Pokud chcete vyrobit kondenzátor kondenzátor Pokud mají elektrody vyšší kapacitu, zvětšuje se plocha krytů. Zmenšení vzdálenosti mezi elektrodami má také svá praktická omezení. V tomto případě může pomoci použití izolantu se zvýšenou dielektrickou konstantou. Pokud se použije materiál s vyšším ε, lze zmenšit velikost elektrod nebo zvětšit vzdálenost mezi elektrodami, aniž by došlo ke ztrátě kvality. elektrická kapacita.
Samostatnou kategorií materiálů jsou tzv. feroelektrika, která mohou za určitých podmínek vykazovat spontánní polarizaci. V dané oblasti se vyznačují dvěma znaky:
- velké hodnoty dielektrické permitivity (typické hodnoty se pohybují od stovek do několika tisíc);
- možnost řídit hodnotu dielektrické permitivity změnou vnějšího elektrického pole.
Těchto vlastností se využívá k výrobě vysokokapacitních kondenzátorů (zvýšením dielektrické konstanty izolantu) s malými rozměry.
Tato zařízení fungují pouze v nízkofrekvenčních obvodech střídavého proudu - s rostoucí frekvencí jejich dielektrická konstanta klesá. Další aplikací segmentovaných dielektrik jsou proměnné kondenzátory, jejichž vlastnosti se mění vlivem přiloženého elektrického pole s proměnnými parametry.
Dielektrická permitivita a dielektrické ztráty
Dielektrické ztráty, tedy část energie, která se v dielektriku ztrácí teplem, závisí také na dielektrické konstantě. K popisu těchto ztrát se běžně používá parametr tg δ, tangens úhlu dielektrických ztrát. Charakterizuje sílu dielektrických ztrát v kondenzátoru, jehož dielektrikum je vyrobeno z materiálu s dostupnou tg δ. A měrný ztrátový výkon pro každou látku je definován vzorcem p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, kde
- p je měrný ztrátový výkon, W;
- ώ=2*π*f - kruhová frekvence elektrického pole;
- E - intenzita elektrického pole, V/m.
Je zřejmé, že čím vyšší je dielektrická permitivita, tím vyšší jsou ztráty v dielektriku při zachování ostatních podmínek.
Závislost dielektrické permitivity na vnějších faktorech
Je třeba poznamenat, že hodnota dielektrické permitivity závisí na frekvenci elektrického pole (v tomto případě na frekvenci napětí přiváděného na pásy). S rostoucí frekvencí hodnota ε u mnoha látek klesá. Tento efekt je výrazný u polárních dielektrik. Tento jev lze vysvětlit tím, že náboje (dipóly) již nemají čas sledovat pole. U látek, které se vyznačují iontovou nebo elektronickou polarizací, je frekvenční závislost dielektrické konstanty malá.
Proto je výběr materiálů pro výrobu dielektrika kondenzátoru tak důležitý. To, co funguje při nízkých frekvencích, nemusí nutně zajistit dobrou izolaci při vysokých frekvencích. Nejčastěji se jako izolant při vysokých frekvencích používají nepolární dielektrika.
Dielektrická konstanta závisí také na teplotě a liší se v závislosti na látce. U nepolárních dielektrik klesá s rostoucí teplotou. V tomto případě se u kondenzátorů vyrobených z takového izolantu hovoří o záporném teplotním koeficientu kapacity (TKE). Kapacita klesá s rostoucí teplotou po ε. U ostatních látek se permeabilita zvyšuje s rostoucí teplotou a lze získat kondenzátory s kladným TKE. Spárováním kondenzátorů s opačnými TKE lze získat termostabilní kapacitu.
Pochopení a znalost dielektrické konstanty různých látek je důležité pro praktické účely. Možnost řídit úroveň dielektrické konstanty poskytuje další technické perspektivy.
Související články:
