Lataukset ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa eri väliaineissa eri voimakkuudella, jota säätelee Coulombin laki. Dielektrisyysvakio-niminen suure määrittää näiden väliaineiden ominaisuudet.
Sisältö
Mikä on dielektrinen permittiivisyys
Mukaan Coulombin lakion kaksi pistemäistä paikallaan pysyvää varausta q1 ja q2 tyhjiössä vuorovaikutuksessa voiman kanssa, joka saadaan kaavasta Fcl= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), jossa:
- Fcl - on Coulombin voima, N;
- q1, q2 - maksujen moduulit, kl;
- r on varausten välinen etäisyys, m;
- ε0 - sähköinen vakio, 8,85*10-12 F/m (Farad per metri).
Jos vuorovaikutus ei tapahdu tyhjiössä, kaava sisältää toisen suureen, joka määrittää aineen vaikutuksen Coulombin voimaan, ja Coulombin lain merkintätapa näyttää seuraavalta
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Tämä suure merkitään kreikkalaisella kirjaimella ε (epsilon), ja se on dimensioton (sillä ei ole mittayksikköä). Dielektrisyysvakio on aineen varausten vuorovaikutuksen vaimennuskerroin.
Fysiikassa käytetään usein dielektrisyysvakiota yhdessä sähköisen vakion kanssa, jolloin on kätevää käyttää absoluuttisen dielektrisyysvakion käsitettä. Tätä merkitään εa ja on yhtä suuri kuin εa= ε* ε. Tällöin absoluuttinen permeabiliteetti on F/m. Normaalipermeabiliteettia ε kutsutaan myös suhteelliseksi permeabiliteetiksi, jotta se voitaisiin erottaa εa.
Dielektrisen permittiivisyyden luonne
Dielektrisen permittiivisyyden luonne perustuu sähkökentän vaikutuksesta tapahtuvaan polarisaatioilmiöön. Useimmat aineet ovat yleensä sähköisesti neutraaleja, vaikka ne sisältävätkin varattuja hiukkasia. Nämä hiukkaset ovat järjestäytyneet kaoottisesti ainemassaan, ja niiden sähkökentät neutralisoivat keskimäärin toisensa.
Dielektriset aineet sisältävät enimmäkseen sidottuja varauksia (dipoleja). Nämä dipolit ovat tavallisesti kahden erilaisen hiukkasen muodostamia nippuja, jotka suuntautuvat spontaanisti dielektrisen aineen paksuutta pitkin ja luovat keskimäärin sähkökentän voimakkuuden nolla. Ulkoisen kentän vaikutuksesta dipolit pyrkivät suuntautumaan kohdistetun voiman mukaisesti. Tämä luo ylimääräisen sähkökentän. Samankaltaisia ilmiöitä esiintyy myös poolittomissa dielektrisissä aineissa.
Johtimet toimivat samalla tavalla, mutta niissä on vapaita varauksia, jotka on erotettu ulkoisella kentällä ja jotka voivat tuottaa oman sähkökenttänsä. Tämä kenttä suuntautuu ulkoista kenttää vastaan, suojaa varauksia ja vähentää niiden vuorovaikutuksen voimaa. Mitä suurempi aineen polarisaatiokyky on, sitä suurempi on ε.
Eri aineiden dielektrisyysvakio
Eri aineilla on erilaiset dielektriset permittiivisyydet. Taulukossa 1 esitetään joidenkin niistä ε:n arvo. On selvää, että nämä arvot ovat suurempia kuin yksikkö, joten varausten vuorovaikutus tyhjiöön verrattuna aina pienenee. On myös huomattava, että ilmassa ε on hieman suurempi kuin yksikkö, joten varausten vuorovaikutus ilmassa ei käytännössä eroa tyhjiössä tapahtuvasta vuorovaikutuksesta.
Taulukko 1. Sähköisen läpäisevyyden arvot eri aineille.
| Aine | Permittiivisyys |
|---|---|
| Bakeliitti | 4,5 |
| Paperi | 2,0..3,5 |
| Vesi | 81 (+20 °C:ssa) |
| Ilma | 1,0002 |
| Germanium | 16 |
| Gethinax | 5..6 |
| Puu | 2.7..7.5 (eri palkkaluokat) |
| Keramiikka Radiokeramiikka | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Lasi | 7 |
| Tekstoliitti | 7,5 |
| Polystyreeni | 2,5 |
| Polyvinyylikloridi | 3 |
| Fluorimuovi | 2,1 |
| Amber | 2,7 |
Kondensaattorin dielektrisyysvakio ja kapasitanssi
ε:n arvon tunteminen on tärkeää käytännössä, esimerkiksi sähkökondensaattoreiden suunnittelussa. Heidän kapasitanssi riippuu inserttien geometrisista mitoista, niiden välisestä etäisyydestä ja dielektrisen materiaalin dielektrisyysvakiosta.
Jos haluat tehdä kondensaattorin kondensaattori Jos elektrodien kapasitanssi on suurempi, kannen pinta-alan kasvattaminen kasvattaa kokoa. Elektrodien välisen etäisyyden pienentämiselle on myös käytännön rajoituksia. Tässä tapauksessa eristimen, jonka dielektrisyysvakio on suurempi, käyttö voi auttaa. Jos käytetään materiaalia, jonka ε on suurempi, elektrodien kokoa voidaan pienentää tai elektrodien välistä etäisyyttä kasvattaa ilman, että elektrodien välinen etäisyys pienenee. sähköinen kapasitanssi.
Erillinen materiaaliryhmä on ferroelektriset materiaalit, jotka voivat tietyissä olosuhteissa osoittaa spontaania polarisaatiota. Niille on ominaista kaksi asiaa tarkasteltavana olevalla alalla:
- suuret dielektrisen permittiivisyyden arvot (tyypilliset arvot vaihtelevat sadoista useisiin tuhansiin);
- kyky hallita dielektrisen permittiivisyyden arvoa muuttamalla ulkoista sähkökenttää.
Näitä ominaisuuksia käytetään suurikapasiteettisten kondensaattoreiden valmistamiseen (eristimen dielektrisyysvakion kasvattamisen avulla) pienillä mitoilla.
Nämä laitteet toimivat vain matalataajuisissa vaihtovirtapiireissä - taajuuden kasvaessa niiden dielektrisyysvakio laskee. Toinen segmentoitujen dielektristen materiaalien sovellus on muuttuvat kondensaattorit, joiden ominaisuudet muuttuvat muuttuvilla parametreilla toimivan sähkökentän vaikutuksesta.
Dielektrinen permittiivisyys ja dielektriset häviöt
Dielektriset häviöt, eli se osa energiasta, joka häviää dielektrissä lämmöksi, riippuvat myös dielektrisyysvakiosta. Parametria tg δ, dielektrisen häviön kulman tangentti, käytetään yleisesti kuvaamaan näitä häviöitä. Se kuvaa dielektristen häviöiden voimakkuutta kondensaattorissa, jonka dielektrinen materiaali on valmistettu materiaalista, jolla on käytettävissä oleva tg δ. Kunkin aineen erityinen tehohäviö määritellään kaavalla p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, jossa
- p on häviön ominaisteho W;
- ώ=2*π*f - sähkökentän ympyrätaajuus;
- E - sähkökentän voimakkuus, V/m.
On selvää, että mitä suurempi dielektrinen permittiivisyys on, sitä suuremmat ovat dielektrisen häviöt, kun muut asiat ovat ennallaan.
Dielektrisen permittiivisyyden riippuvuus ulkoisista tekijöistä
On huomattava, että dielektrisen permittiivisyyden arvo riippuu sähkökentän taajuudesta (tässä tapauksessa nauhoihin kohdistetun jännitteen taajuudesta). Taajuuden kasvaessa ε:n arvo pienenee monien aineiden osalta. Tämä vaikutus on erityisen voimakas polaarisilla dielektrisillä aineilla. Tämä ilmiö voidaan selittää sillä, että varaukset (dipolit) eivät enää ehdi seurata kenttää. Aineissa, joille on ominaista ioninen tai elektroninen polarisaatio, dielektrisyysvakion taajuusriippuvuus on pieni.
Siksi kondensaattorin dielektrisen materiaalin valinta on niin tärkeää. Se, mikä toimii matalilla taajuuksilla, ei välttämättä tuota hyvää eristystä korkeilla taajuuksilla. Useimmiten ei-polaarisia dielektrisiä aineita käytetään eristeenä korkeilla taajuuksilla.
Dielektrisyysvakio riippuu myös lämpötilasta, ja se vaihtelee aineesta riippuen. Epäpolaarisissa dielektristeissä se laskee lämpötilan kasvaessa. Tällöin puhutaan negatiivisesta kapasitanssin lämpötilakertoimesta (TKE) kondensaattoreissa, jotka on valmistettu tällaisella eristeellä. Kapasitanssi laskee lämpötilan noustessa ε:n jälkeen. Muissa aineissa permeabiliteetti kasvaa lämpötilan kasvaessa, ja voidaan saada kondensaattoreita, joiden TKE on positiivinen. Parittamalla kondensaattorit, joiden TKE:t ovat vastakkaiset, saadaan aikaan termostabiili kapasitanssi.
Eri aineiden dielektrisyysvakion ymmärtäminen ja tunteminen on tärkeää käytännön syistä. Kyky hallita dielektrisyysvakion tasoa antaa lisää teknisiä näköaloja.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
