Laengud suhtlevad üksteisega erinevates meediumites erineva tugevusega, mis on määratud Coulombi seadusega. Nende kandjate omadused määratakse suuruse järgi, mida nimetatakse dielektriliseks läbilaskvuseks.
Sisu
Mis on dielektriline läbitavus
Vastavalt Coulombi seaduskaks punktitaolist statsionaarset laengut q1 ja q2 vaakumis interakteeruvad jõuga, mis on antud valemiga Fcl= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), kus:
- Fcl - Coulombi jõud, N;
- q1, q2 - laengute moodulid, kl;
- r on laengute vaheline kaugus, m;
- ε0 - elektriline konstant, 8,85*10-12 F/m (Farad meetri kohta).
Kui interaktsioon ei toimu vaakumis, sisaldab valem teist suurust, mis määrab aine mõju Coulombi jõule ja Coulombi seaduse tähistus näeb välja järgmine:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Seda suurust tähistatakse kreeka tähega ε (epsilon), see on mõõtmeteta (pole mõõtühikut). Dielektriline läbitavus on aines olevate laengute vastasmõju sumbumise koefitsient.
Sageli kasutatakse füüsikas dielektrilist läbitavust koos elektrikonstandiga, sel juhul on mugav kasutusele võtta absoluutse dielektrilise läbitavuse mõiste. Seda tähistatakse ε-gaa ja on võrdne ε-gaa= ε* ε. Sel juhul on absoluutsel läbilaskvusel mõõde F/m. Normaalset läbilaskvust ε nimetatakse ka suhteliseks, et eristada seda ε-sta.
Dielektrilise läbitavuse olemus
Dielektrilise läbilaskvuse olemus põhineb polarisatsiooni nähtusel elektrivälja toimel. Enamik aineid on üldiselt elektriliselt neutraalsed, kuigi need sisaldavad laetud osakesi. Need osakesed paiknevad kaootiliselt ainemassis ja nende elektriväljad keskmiselt neutraliseerivad üksteist.
Dielektrikud sisaldavad enamasti seotud laenguid (nimetatakse dipoolideks). Need dipoolid esindavad tavapäraselt kahe erineva osakese kimpe, mis on spontaanselt orienteeritud piki dielektriku paksust ja loovad keskmiselt nulli elektrivälja tugevuse. Välise välja toimel kipuvad dipoolid orienteeruma vastavalt rakendatavale jõule. Selle tulemusena tekib täiendav elektriväli. Sarnased nähtused esinevad ka mittepolaarsetes dielektrikutes.
Juhtides on protsessid sarnased, ainult on vabad laengud, mis eralduvad välise välja toimel ja loovad ka oma elektrivälja. See väli on suunatud välisele väljale, varjestades laenguid ja vähendades nende vastasmõju jõudu. Mida suurem on aine polarisatsioonivõime, seda suurem on ε.
Erinevate ainete dielektriline läbitavus
Erinevatel ainetel on erinev dielektriline läbitavus. Mõne neist on ε väärtus näidatud tabelis 1. Ilmselgelt on need väärtused suuremad kui ühtsus, mistõttu laengute vastastikmõju vaakumiga võrreldes alati väheneb.Samuti tuleb märkida, et õhu puhul on ε veidi rohkem kui ühtsus, seetõttu ei erine õhulaengute interaktsioon praktiliselt vaakumi vastasmõjust.
Tabel 1. Erinevate ainete elektrilise läbilaskvuse väärtused.
| Aine | Dielektriline läbitavus |
|---|---|
| Bakeliit | 4,5 |
| Paber | 2,0..3,5 |
| Vesi | 81 (+20 °C juures) |
| Õhk | 1,0002 |
| Germaanium | 16 |
| Hetinax | 5..6 |
| Puit | 2,7...7,5 (erinevad klassid) |
| Radiotehniline keraamika | 10..200 |
| Vilgukivi | 5,7..11,5 |
| Klaas | 7 |
| Tekstoliit | 7,5 |
| Polüstüreen | 2,5 |
| Polüklorovinüül | 3 |
| Fluoroplast | 2,1 |
| Merevaik | 2,7 |
Kondensaatori dielektriline konstant ja mahtuvus
ε väärtuse teadmine praktikas on oluline näiteks elektrikondensaatorite projekteerimisel. Nende mahtuvus sõltub kestade mõõtmetest, nendevahelisest kaugusest ja dielektriku dielektrilisest konstandist.
Kui soovite teha kondensaator Kui elektroodidel on suurem mahtuvus, siis katete pindala suurendamine toob kaasa mõõtmete suurenemise. Elektroodide vahelise kauguse vähendamisel on ka praktilisi piiranguid. Sel juhul võib abi olla suurenenud dielektrilise konstandiga isolaatori kasutamisest. Kui kasutatakse materjali, mille ε on suurem, saab elektroodide suurust mitu korda vähendada või nendevahelist kaugust suurendada ilma elektriline mahtuvus.
Eraldi ainete kategooriat nimetatakse segmentelektrikuteks, millel on teatud tingimustel spontaanne polarisatsioon. Vaadeldavas valdkonnas iseloomustavad neid kaks asja:
- suured dielektrilise läbilaskvuse väärtused (iseloomulikud väärtused - sadadest kuni mitme tuhandeni);
- võimalus juhtida dielektrilise läbitavuse väärtust välise elektrivälja muutmise kaudu.
Neid omadusi kasutatakse väikese massi ja mõõtmetega suure võimsusega (isolaatori suurenenud dielektrilise läbilaskvuse tõttu) kondensaatorite tootmiseks.
Sellised seadmed töötavad ainult madala sagedusega vahelduvvooluahelates - sageduse suurenemisega nende dielektriline konstant väheneb. Ferroelektriku teine rakendusala on muutuvkondensaatorid, mille omadused muutuvad rakendatava elektrivälja mõjul erinevate parameetritega.
Dielektriline läbilaskvus ja dielektrilised kaod
Dielektrilisest konstandist sõltuvad ka dielektrilised kaod, st see osa energiast, mis dielektrikus soojuseks kaob. Tavaliselt kasutatakse nende kadude kirjeldamiseks parameetrit tg δ, dielektriliste kadude nurga puutujat. See iseloomustab dielektriliste kadude võimsust kondensaatoris, milles dielektrik on valmistatud materjalist, mille tg δ. Ja iga aine erikadu võimsus määratakse valemiga p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, kus:
- p - kadude erivõimsus, W;
- ώ=2*π*f - elektrivälja ringsagedus;
- E - elektrivälja tugevus, V/m.
Ilmselgelt, mida suurem on dielektri läbilaskvus, seda suuremad on kaod dielektrikus, kui kõik muud tingimused on võrdsed.
Dielektrilise läbitavuse sõltuvus välisteguritest
Tuleb märkida, et dielektrilise läbilaskvuse väärtus sõltub elektrivälja sagedusest (antud juhul pinnakatetele rakendatava pinge sagedusest). Sageduse kasvades ε väärtus paljudes ainetes väheneb. See efekt on väljendunud polaarsete dielektrikute puhul. Seda nähtust saab seletada sellega, et laengutel (dipoolidel) ei ole enam aega välja jälgida. Ainete puhul, mida iseloomustab ioonne või elektrooniline polarisatsioon, on dielektrilise läbitavuse sõltuvus sagedusest väike.
Seetõttu on kondensaatori dielektriku valmistamiseks materjalide valik nii oluline. See, mis töötab madalatel sagedustel, ei taga tingimata kvaliteetset isolatsiooni kõrgetel sagedustel. Enamasti kasutatakse kõrgetel sagedustel isolaatorina mittepolaarseid dielektrikuid.
Samuti sõltub dielektriline konstant temperatuurist ja see on aineti erinev. Mittepolaarsetes dielektrikutes langeb see temperatuuri tõustes. Sel juhul räägime sellise isolaatoriga valmistatud kondensaatorite puhul negatiivsest temperatuurikoefitsiendist (TKE) - mahtuvus langeb temperatuuri tõusuga pärast ε. Teistel ainetel on temperatuuri tõustes suurem läbilaskvus ja on võimalik saada positiivse TKE-ga kondensaatoreid. Kondensaatorite sidumisel vastandlike TKE-dega on võimalik saada termostabiilne mahtuvus.
Praktilistel eesmärkidel on oluline erinevate ainete dielektrilise konstandi olemuse mõistmine ja tundmine. Ja võimalus kontrollida dielektrilise läbilaskvuse taset annab täiendavaid tehnilisi perspektiive.
Seotud artiklid:
