Τα φορτία αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σε διάφορα μέσα με διαφορετικές εντάσεις, οι οποίες διέπονται από το νόμο του Κουλόμπ. Μια ποσότητα που ονομάζεται διηλεκτρική σταθερά καθορίζει τις ιδιότητες αυτών των μέσων.
Περιεχόμενα
Ποια είναι η διηλεκτρική διαπερατότητα
Σύμφωνα με Νόμος του Κουλόμπυπάρχουν δύο σημειακά σταθερά φορτία q1 και q2 στο κενό αλληλεπιδρούν με τη δύναμη που δίνεται από τον τύπο Fcl= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), όπου:
- Fcl - είναι η δύναμη Κουλόμπ, Ν,
- q1, q2 - είναι οι συντελεστές των φορτίων, kl,
- r είναι η απόσταση μεταξύ των φορτίων, m,
- ε0 - ηλεκτρική σταθερά, 8,85*10-12 F/m (Farad ανά μέτρο).
Εάν η αλληλεπίδραση δεν λαμβάνει χώρα στο κενό, ο τύπος περιλαμβάνει μια άλλη ποσότητα που καθορίζει την επίδραση της ουσίας στη δύναμη του Κουλόμπ, και ο συμβολισμός του νόμου του Κουλόμπ έχει ως εξής
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Το μέγεθος αυτό συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα ε (έψιλον) και είναι χωρίς διαστάσεις (δεν έχει μονάδα μέτρησης). Η διηλεκτρική σταθερά είναι ο συντελεστής εξασθένησης της αλληλεπίδρασης των φορτίων στην ύλη.
Συχνά στη φυσική η διηλεκτρική σταθερά χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με την ηλεκτρική σταθερά, οπότε είναι βολικό να εισαχθεί η έννοια της απόλυτης διηλεκτρικής σταθεράς. Αυτό συμβολίζεται με εa και ισούται με εa= ε* ε. Σε αυτή την περίπτωση η απόλυτη διαπερατότητα έχει τη διάσταση F/m. Η κανονική διαπερατότητα ε ονομάζεται επίσης σχετική διαπερατότητα για να διακρίνεται από την εa.
Η φύση της διηλεκτρικής διαπερατότητας
Η φύση της διηλεκτρικής διαπερατότητας βασίζεται στο φαινόμενο της πόλωσης υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου. Οι περισσότερες ουσίες είναι γενικά ηλεκτρικά ουδέτερες, αν και περιέχουν φορτισμένα σωματίδια. Τα σωματίδια αυτά είναι τοποθετημένα χαοτικά σε μια μάζα ύλης και τα ηλεκτρικά τους πεδία κατά μέσο όρο εξουδετερώνουν το ένα το άλλο.
Τα διηλεκτρικά περιέχουν κυρίως δεσμευμένα φορτία (που ονομάζονται δίπολα). Αυτά τα δίπολα είναι συμβατικά δέσμες δύο ανόμοιων σωματιδίων που προσανατολίζονται αυθόρμητα κατά μήκος του πάχους του διηλεκτρικού και δημιουργούν κατά μέσο όρο μηδενική ένταση ηλεκτρικού πεδίου. Υπό την επίδραση ενός εξωτερικού πεδίου, τα δίπολα τείνουν να προσανατολίζονται σύμφωνα με την εφαρμοζόμενη δύναμη. Αυτό δημιουργεί ένα πρόσθετο ηλεκτρικό πεδίο. Παρόμοια φαινόμενα εμφανίζονται σε μη πολικά διηλεκτρικά.
Οι αγωγοί λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο, αλλά έχουν ελεύθερα φορτία τα οποία διαχωρίζονται από ένα εξωτερικό πεδίο και μπορούν να παράγουν το δικό τους ηλεκτρικό πεδίο. Το πεδίο αυτό στρέφεται κατά του εξωτερικού πεδίου, θωρακίζοντας τα φορτία και μειώνοντας τη δύναμη της αλληλεπίδρασής τους. Όσο μεγαλύτερη είναι η ικανότητα πόλωσης μιας ουσίας, τόσο υψηλότερο είναι το ε.
Διηλεκτρική σταθερά διαφόρων ουσιών
Διαφορετικές ουσίες έχουν διαφορετικές διηλεκτρικές διαπερατότητες. Η τιμή του ε για ορισμένα από αυτά παρουσιάζεται στον πίνακα 1. Προφανώς, οι τιμές αυτές είναι μεγαλύτερες από τη μονάδα, οπότε η αλληλεπίδραση των φορτίων, σε σύγκριση με το κενό, πάντα μειώνεται. Επίσης, πρέπει να σημειωθεί ότι για τον αέρα το ε είναι λίγο μεγαλύτερο από τη μονάδα, επομένως η αλληλεπίδραση των φορτίων στον αέρα πρακτικά δεν διαφέρει από την αλληλεπίδραση στο κενό.
Πίνακας 1. Τιμές της ηλεκτρικής διαπερατότητας για διάφορες ουσίες.
| Ουσία | Επιτρεπτικότητα |
|---|---|
| Βακελίτης | 4,5 |
| Χαρτί | 2,0..3,5 |
| Νερό | 81 (στους +20°C) |
| Air | 1,0002 |
| Γερμάνιο | 16 |
| Gethinax | 5..6 |
| Ξύλο | 2.7..7.5 (διάφορες βαθμίδες) |
| Κεραμικά Ραδιοκεραμικά | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Γυαλί | 7 |
| Textolite | 7,5 |
| Πολυστερίνη | 2,5 |
| Χλωριούχο πολυβινύλιο | 3 |
| Φθοροπλαστικό | 2,1 |
| Amber | 2,7 |
Διηλεκτρική σταθερά και χωρητικότητα ενός πυκνωτή
Η γνώση της τιμής του ε είναι σημαντική στην πράξη, π.χ. στο σχεδιασμό ηλεκτρικών πυκνωτών. Το χωρητικότητα εξαρτάται από τις γεωμετρικές διαστάσεις των ενθέτων, την απόσταση μεταξύ τους και τη διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού.
Αν θέλετε να φτιάξετε έναν πυκνωτή έναν πυκνωτή Εάν τα ηλεκτρόδια έχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα, τότε η αύξηση της επιφάνειας των καλυμμάτων αυξάνει το μέγεθος. Υπάρχουν επίσης πρακτικοί περιορισμοί στη μείωση της απόστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων. Σε αυτή την περίπτωση μπορεί να βοηθήσει η χρήση ενός μονωτή με αυξημένη διηλεκτρική σταθερά. Εάν χρησιμοποιηθεί υλικό με υψηλότερο ε, το μέγεθος των ηλεκτροδίων μπορεί να μειωθεί ή η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων μπορεί να αυξηθεί χωρίς να χαθεί η αξιοπιστία των ηλεκτροδίων. ηλεκτρική χωρητικότητα.
Μια ξεχωριστή κατηγορία υλικών ονομάζεται σιδηροηλεκτρικά, τα οποία μπορούν να παρουσιάσουν αυθόρμητη πόλωση υπό ορισμένες συνθήκες. Χαρακτηρίζονται από δύο πράγματα στον υπό εξέταση τομέα:
- μεγάλες τιμές διηλεκτρικής διαπερατότητας (τυπικές τιμές που κυμαίνονται από εκατοντάδες έως αρκετές χιλιάδες),
- τη δυνατότητα ελέγχου της τιμής της διηλεκτρικής διαπερατότητας με τη μεταβολή του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου.
Οι ιδιότητες αυτές χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πυκνωτών υψηλής χωρητικότητας (με την αύξηση της διηλεκτρικής σταθεράς του μονωτή) με μικρές διαστάσεις.
Οι συσκευές αυτές λειτουργούν μόνο σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος χαμηλής συχνότητας - με την αύξηση της συχνότητας η διηλεκτρική τους σταθερά μειώνεται. Μια άλλη εφαρμογή των τμηματοποιημένων διηλεκτρικών είναι οι μεταβλητοί πυκνωτές, των οποίων τα χαρακτηριστικά μεταβάλλονται υπό την επίδραση ενός εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου με μεταβαλλόμενες παραμέτρους.
Διηλεκτρική διαπερατότητα και διηλεκτρικές απώλειες
Οι διηλεκτρικές απώλειες, το μέρος της ενέργειας που χάνεται στο διηλεκτρικό σε θερμότητα, εξαρτώνται επίσης από τη διηλεκτρική σταθερά. Η παράμετρος tg δ, η εφαπτομένη της γωνίας των διηλεκτρικών απωλειών, χρησιμοποιείται συνήθως για την περιγραφή αυτών των απωλειών. Χαρακτηρίζει την ισχύ των διηλεκτρικών απωλειών σε έναν πυκνωτή στον οποίο το διηλεκτρικό είναι κατασκευασμένο από υλικό με διαθέσιμο tg δ. Και η ειδική ισχύς απωλειών για κάθε ουσία ορίζεται από τον τύπο p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, όπου
- p είναι η ειδική ισχύς των απωλειών, W,
- ώ=2*π*f - κυκλική συχνότητα του ηλεκτρικού πεδίου,
- E - ένταση ηλεκτρικού πεδίου, V/m.
Είναι προφανές ότι όσο υψηλότερη είναι η διηλεκτρική διαπερατότητα, τόσο υψηλότερες είναι οι απώλειες στο διηλεκτρικό, εφόσον τα υπόλοιπα πράγματα είναι ίδια.
Εξάρτηση της διηλεκτρικής διαπερατότητας από εξωτερικούς παράγοντες
Πρέπει να σημειωθεί ότι η τιμή της διηλεκτρικής διαπερατότητας εξαρτάται από τη συχνότητα του ηλεκτρικού πεδίου (στην προκειμένη περίπτωση, τη συχνότητα της τάσης που εφαρμόζεται στις λωρίδες). Με την αύξηση της συχνότητας η τιμή του ε για πολλές ουσίες μειώνεται. Το φαινόμενο αυτό είναι έντονο για τα πολικά διηλεκτρικά. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι τα φορτία (δίπολα) δεν έχουν πλέον χρόνο να ακολουθήσουν το πεδίο. Σε ουσίες που χαρακτηρίζονται από ιοντική ή ηλεκτρονική πόλωση, η εξάρτηση της διηλεκτρικής σταθεράς από τη συχνότητα είναι μικρή.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η επιλογή των υλικών για την κατασκευή ενός διηλεκτρικού πυκνωτή είναι τόσο σημαντική. Αυτό που λειτουργεί στις χαμηλές συχνότητες δεν παράγει απαραίτητα καλή μόνωση στις υψηλές συχνότητες. Τις περισσότερες φορές, τα μη πολικά διηλεκτρικά χρησιμοποιούνται ως μονωτές σε υψηλές συχνότητες.
Η διηλεκτρική σταθερά εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία και διαφέρει από ουσία σε ουσία. Στα μη πολικά διηλεκτρικά, μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Στην περίπτωση αυτή γίνεται λόγος για αρνητικό θερμοκρασιακό συντελεστή χωρητικότητας (TKE) για τους πυκνωτές που κατασκευάζονται με έναν τέτοιο μονωτή. Η χωρητικότητα μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας μετά το ε. Σε άλλες ουσίες η διαπερατότητα αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και μπορούν να ληφθούν πυκνωτές με θετική TKE. Με τη σύζευξη πυκνωτών με αντίθετες TKE, μπορεί να επιτευχθεί θερμοσταθερή χωρητικότητα.
Η κατανόηση και η γνώση της διηλεκτρικής σταθεράς των διαφόρων ουσιών είναι σημαντική για πρακτικούς σκοπούς. Και η δυνατότητα ελέγχου του επιπέδου της διηλεκτρικής σταθεράς δίνει πρόσθετες τεχνικές προοπτικές.
Σχετικά άρθρα:
