Qu'est-ce que la permittivité

Les charges interagissent entre elles dans différents milieux avec des forces variables, qui sont régies par la loi de Coulomb. Une quantité appelée constante diélectrique détermine les propriétés de ces milieux.

Quelle est la permittivité diélectrique

Selon loi de Coulombil existe deux charges stationnaires ponctuelles q₁ et q₂ dans le vide interagissent avec la force donnée par la formule F_cl= ((1/4)*π* ε)*(|q₁|*|q₂|/r²), où :

• F_cl - est la force de Coulomb, N ;
• q₁, q₂ - sont des modules de charges, kl ;
• r est la distance entre les charges, en m ;
• ε₀ - constante électrique, 8,85*10^-12 F/m (Farad par mètre).

Si l'interaction ne se produit pas dans le vide, la formule inclut une autre quantité déterminant l'effet de la substance sur la force de Coulomb, et la notation de la loi de Coulomb ressemble à ceci

F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q₁|*|q₂|/r²).

Cette quantité est désignée par la lettre grecque ε (epsilon) et est sans dimension (n'a pas d'unité de mesure). La constante diélectrique est le coefficient d'atténuation de l'interaction des charges dans la matière.

En physique, la constante diélectrique est souvent utilisée conjointement avec la constante électrique, auquel cas il est pratique d'introduire le concept de constante diélectrique absolue. Ceci est dénoté par ε_a et est égal à ε_a= ε* ε. Dans ce cas, la perméabilité absolue est de la dimension F/m. La perméabilité normale ε est également appelée perméabilité relative pour la distinguer de ε._a.

La nature de la permittivité diélectrique

La nature de la permittivité diélectrique est basée sur le phénomène de polarisation sous l'action d'un champ électrique. La plupart des substances sont en général électriquement neutres, même si elles contiennent des particules chargées. Ces particules sont disposées de manière chaotique dans une masse de matière et leurs champs électriques se neutralisent en moyenne.

Les diélectriques contiennent principalement des charges liées (appelées dipôles). Ces dipôles sont classiquement des faisceaux de deux particules dissemblables qui s'orientent spontanément dans l'épaisseur du diélectrique et créent en moyenne un champ électrique nul. Sous l'action d'un champ extérieur, les dipôles ont tendance à s'orienter en fonction de la force appliquée. Cela crée un champ électrique supplémentaire. Des phénomènes similaires se produisent dans les diélectriques non polaires.

Les conducteurs fonctionnent de manière similaire, mais ils possèdent des charges libres qui sont séparées par un champ externe et peuvent produire un champ électrique propre. Ce champ est dirigé contre le champ externe, protégeant les charges et réduisant la force de leur interaction. Plus la capacité de polarisation d'une substance est grande, plus ε est élevé.

Constante diélectrique de différentes substances

Des substances différentes ont des permittivités diélectriques différentes. La valeur de ε pour certains d'entre eux est indiquée dans le tableau 1. Évidemment, ces valeurs sont supérieures à l'unité, donc l'interaction des charges, par rapport au vide, diminue toujours. Il est également nécessaire de noter que pour l'air ε est un peu plus que l'unité, donc l'interaction des charges dans l'air ne diffère pratiquement pas de l'interaction dans le vide.

Tableau 1. Valeurs de la perméabilité électrique pour différentes substances.

Constante diélectrique et capacité d'un condensateur

La connaissance de la valeur de ε est importante dans la pratique, par exemple pour la conception des condensateurs électriques. Leur capacité dépend des dimensions géométriques des inserts, de la distance entre eux et de la constante diélectrique du diélectrique.

Si vous voulez fabriquer un condensateur un condensateur Si les électrodes ont une capacité plus élevée, alors l'augmentation de la surface des couvertures augmente la taille. Il existe également des limites pratiques à la réduction de la distance entre les électrodes. Dans ce cas, l'utilisation d'un isolant à constante diélectrique accrue peut être utile. Si l'on utilise un matériau avec un ε plus élevé, la taille des électrodes peut être réduite ou la distance entre les électrodes peut être augmentée sans perdre de l'efficacité. capacité électrique.

Une autre catégorie de matériaux, les ferroélectriques, peut présenter une polarisation spontanée dans certaines conditions. Ils se caractérisent par deux choses dans le domaine considéré :

• de grandes valeurs de permittivité diélectrique (les valeurs typiques vont de quelques centaines à plusieurs milliers) ;
• la possibilité de contrôler la valeur de la permittivité diélectrique en modifiant le champ électrique externe.

Ces propriétés sont utilisées pour fabriquer des condensateurs à haute capacité (en augmentant la constante diélectrique de l'isolant) avec de petites dimensions.

Ces dispositifs ne fonctionnent que dans des circuits alternatifs à basse fréquence - avec l'augmentation de la fréquence, leur constante diélectrique diminue. Une autre application des ferroélectriques est celle des condensateurs variables, dont les caractéristiques changent sous l'influence d'un champ électrique appliqué avec des paramètres variables.

Permistivité diélectrique et pertes diélectriques

Les pertes diélectriques, c'est-à-dire la partie de l'énergie qui est perdue dans le diélectrique en chaleur, dépendent également de la constante diélectrique. Le paramètre tg δ, la tangente de l'angle de perte diélectrique, est couramment utilisé pour décrire ces pertes. Elle caractérise le pouvoir des pertes diélectriques dans un condensateur dont le diélectrique est constitué d'un matériau dont le tg δ est disponible. Et la perte de puissance spécifique pour chaque substance est définie par la formule p=E²*ώ*ε*ε*tg δ, où

• p est la puissance spécifique de la perte, W ;
• ώ=2*π*f - fréquence circulaire du champ électrique ;
• E - intensité du champ électrique, V/m.

Il est évident que plus la permittivité diélectrique est élevée, plus les pertes dans le diélectrique sont élevées, toutes choses égales par ailleurs.

Dépendance de la permittivité diélectrique par rapport à des facteurs externes

Il convient de noter que la valeur de la permittivité diélectrique dépend de la fréquence du champ électrique (dans ce cas, la fréquence de la tension appliquée aux bandes). Avec l'augmentation de la fréquence, la valeur de ε pour de nombreuses substances diminue. Cet effet est prononcé pour les diélectriques polaires. Ce phénomène s'explique par le fait que les charges (dipôles) n'ont plus le temps de suivre le champ. Pour les substances qui sont caractérisées par une polarisation ionique ou électronique, la dépendance en fréquence de la constante diélectrique est faible.

C'est pourquoi le choix des matériaux pour fabriquer le diélectrique d'un condensateur est si important. Ce qui fonctionne à basse fréquence ne produira pas nécessairement une bonne isolation à haute fréquence. Le plus souvent, les diélectriques non polaires sont utilisés comme isolant à haute fréquence.

La constante diélectrique dépend également de la température et varie d'une substance à l'autre. Dans les diélectriques non polaires, elle diminue avec l'augmentation de la température. Dans ce cas, on parle de coefficient de température négatif de la capacité (TKE) pour les condensateurs fabriqués avec un tel isolant. La capacité diminue avec l'augmentation de la température suivant ε. Dans d'autres substances, la perméabilité augmente avec la température, et on peut obtenir des condensateurs avec un TKE positif. En associant des condensateurs ayant des TKE opposés, on peut obtenir une capacité thermostable.

Il est important de comprendre et de connaître la constante diélectrique de diverses substances à des fins pratiques. Et la possibilité de contrôler le niveau de la constante diélectrique offre des perspectives techniques supplémentaires.

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