Ladninger vekselvirker med hinanden i forskellige medier med forskellige styrker, som er styret af Coulombs lov. En størrelse kaldet dielektrisk konstant bestemmer disse mediers egenskaber.
Indhold
Hvad er den dielektriske permittivitet
I henhold til Coulomb's lover der to punktvis stationære ladninger q1 og q2 i et vakuum vekselvirker med den kraft, der er givet ved formlen Fcl= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), hvor:
- Fcl - er Coulomb-styrken, N;
- q1, q2 - er ladningsmoduler, kl;
- r er afstanden mellem ladningerne, m;
- ε0 - elektrisk konstant, 8,85*10-12 F/m (Farad pr. meter).
Hvis vekselvirkningen ikke finder sted i vakuum, indeholder formlen en anden størrelse, der bestemmer stoffets virkning på Coulombkraften, og Coulombs lov ser således ud
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Denne størrelse betegnes med det græske bogstav ε (epsilon) og er dimensionsløs (har ingen måleenhed). Den dielektriske konstant er dæmpningskoefficienten for vekselvirkningen mellem ladninger i stof.
I fysik anvendes dielektrisk konstant ofte sammen med den elektriske konstant, og i så fald er det praktisk at indføre begrebet absolut dielektrisk konstant. Dette betegnes med εa og er lig med εa= ε* ε. I dette tilfælde er den absolutte permeabilitet i dimensionen F/m. Den normale permeabilitet ε kaldes også relativ permeabilitet for at adskille den fra εa.
Karakteren af den dielektriske permittivitet
Den dielektriske permittivitet er baseret på fænomenet polarisering under påvirkning af et elektrisk felt. De fleste stoffer er generelt elektrisk neutrale, selv om de indeholder ladede partikler. Disse partikler er anbragt kaotisk i en masse af stof, og deres elektriske felter neutraliserer i gennemsnit hinanden.
Dielektriske stoffer indeholder hovedsagelig bundne ladninger (kaldet dipoler). Disse dipoler er konventionelt set bundter af to forskellige partikler, som spontant orienteres langs dielektrikummets tykkelse og i gennemsnit skaber en elektrisk feltstyrke på nul. Under påvirkning af et ydre felt har dipolerne en tendens til at orientere sig i overensstemmelse med den påførte kraft. Dette skaber et ekstra elektrisk felt. Lignende fænomener forekommer i upolære dielektriske stoffer.
Ledere fungerer på samme måde, men de har frie ladninger, som er adskilt af et eksternt felt og kan producere deres eget elektriske felt. Dette felt er rettet mod det ydre felt, hvilket skærmer ladningerne og reducerer kraften af deres vekselvirkning. Jo større polarisationsevne et stof har, jo højere er ε.
Dielektrisk konstant for forskellige stoffer
Forskellige stoffer har forskellige dielektriske permittiviteter. Værdien af ε for nogle af dem er vist i tabel 1. Det er klart, at disse værdier er større end enheden, så vekselvirkningen mellem ladningerne i forhold til vakuum er altid mindre. Det er også nødvendigt at bemærke, at ε for luft er lidt over enheden, og at vekselvirkningen mellem ladninger i luft derfor praktisk taget ikke adskiller sig fra vekselvirkningen i vakuum.
Tabel 1. Værdier for elektrisk permeabilitet for forskellige stoffer.
| Stof | Permittivitet |
|---|---|
| Bakelit | 4,5 |
| Papir | 2,0..3,5 |
| Vand | 81 (ved +20°C) |
| Luft | 1,0002 |
| Germanium | 16 |
| Gethinax | 5..6 |
| Træ | 2.7..7.5 (forskellige kvaliteter) |
| Keramik Radio-keramik Radio-keramik | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Glas | 7 |
| Textolite | 7,5 |
| Polystyren | 2,5 |
| Polyvinylchlorid | 3 |
| Fluorplast | 2,1 |
| Amber | 2,7 |
Dielektrisk konstant og kapacitans af en kondensator
Det er vigtigt at kende værdien af ε i praksis, f.eks. ved konstruktion af elektriske kondensatorer. Deres kapacitans afhænger af de geometriske dimensioner af indsatse, afstanden mellem dem og dielektrisk konstant af dielektrisk.
Hvis du ønsker at lave en kondensator en kondensator Hvis elektroderne har en højere kapacitans, øges størrelsen ved at øge dækningsfladenes areal. Der er også praktiske begrænsninger for at reducere afstanden mellem elektroderne. I dette tilfælde kan det være en hjælp at anvende en isolator med øget dielektrisk konstant. Hvis der anvendes et materiale med et højere ε, kan elektrodernes størrelse reduceres, eller afstanden mellem elektroderne kan øges, uden at det går ud over elektrisk kapacitans.
En særskilt kategori af materialer kaldes ferroelektriske materialer, som kan udvise spontan polarisering under visse betingelser. De er kendetegnet ved to ting på det pågældende område:
- store værdier for dielektrisk permittivitet (typiske værdier er fra hundreder til flere tusinde);
- evnen til at kontrollere værdien af den dielektriske permittivitet ved at ændre det eksterne elektriske felt.
Disse egenskaber bruges til at fremstille kondensatorer med høj kapacitet (ved at øge isolatorens dielektriske konstant) med små dimensioner.
Disse enheder fungerer kun i lavfrekvente vekselstrømskredsløb - med stigende frekvens falder deres dielektriske konstant. En anden anvendelse af ferroelektriske materialer er variable kondensatorer, hvis egenskaber ændrer sig under påvirkning af et påført elektrisk felt med varierende parametre.
Dielektrisk permittivitet og dielektriske tab
Dielektrisk tab, den del af energien, der går tabt i dielektrisk materiale til varme, afhænger også af dielektrisk konstant. Parameteren tg δ, tangenten til vinklen af det dielektriske tab, anvendes almindeligvis til at beskrive disse tab. Den karakteriserer effekten af dielektriske tab i en kondensator, hvor dielektret er fremstillet af et materiale med en tilgængelig tg δ. Og det specifikke effekttab for hvert stof er defineret ved formlen p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, hvor
- p er den specifikke tabseffekt, W;
- ώ=2*π*f - cirkulær frekvens af det elektriske felt;
- E - elektrisk feltstyrke, V/m.
Det er indlysende, at jo højere den dielektriske permittivitet er, jo større er tabene i dielektret, alt andet lige.
Afhængighed af den dielektriske tilladelighed af eksterne faktorer
Det skal bemærkes, at værdien af den dielektriske permittivitet afhænger af frekvensen af det elektriske felt (i dette tilfælde frekvensen af den spænding, der påføres strimlerne). Med stigende frekvens falder værdien af ε for mange stoffer. Denne effekt er udtalt for polære dielektriske stoffer. Dette fænomen kan forklares ved, at ladningerne (dipoler) ikke længere har tid til at følge feltet. For stoffer, der er karakteriseret ved ionisk eller elektronisk polarisering, er frekvensafhængigheden af dielektricitetskonstanten lille.
Det er derfor, at valget af materialer til kondensatorens dielektrikum er så vigtigt. Det, der virker ved lave frekvenser, giver ikke nødvendigvis god isolering ved høje frekvenser. Oftest anvendes upolære dielektriske stoffer som isolator ved høje frekvenser.
Den dielektriske konstant afhænger også af temperaturen og varierer fra stof til stof. I upolære dielektriske stoffer falder den med stigende temperatur. I dette tilfælde taler man om den negative temperaturkoefficient for kapacitans (TKE) for kondensatorer fremstillet med en sådan isolator Kapacitansen falder med stigende temperatur efter ε. I andre stoffer stiger permeabiliteten med stigende temperatur, og der kan opnås kondensatorer med en positiv TKE. Ved at parre kondensatorer med modsatte TKE'er kan man opnå en termostabil kapacitet.
Det er vigtigt at forstå og kende forskellige stoffers dielektriske konstant af praktiske årsager. Og muligheden for at styre niveauet af dielektrisk konstant giver yderligere tekniske perspektiver.
Relaterede artikler:
