Muatan berinteraksi satu sama lain dalam media yang berbeda dengan kekuatan yang berbeda sebagaimana ditentukan oleh hukum Coulomb. Sifat-sifat media ini ditentukan oleh besaran yang disebut permitivitas dielektrik.
Isi
Berapa permitivitas dielektrik
Berdasarkan hukum Coulombdua muatan stasioner seperti titik q1 dan q2 dalam ruang hampa berinteraksi dengan gaya yang diberikan oleh rumus Fcl= ((1/4)*π*)*(|q1|*|q2|/r2), di mana:
- Fcl - Gaya Coulomb, N;
- q1, q2 - modul biaya, kl;
- r adalah jarak antara muatan, m;
- 0 - konstanta listrik, 8.85*10-12 F/m (Farad per meter).
Jika interaksi tidak terjadi dalam ruang hampa, rumus mencakup kuantitas lain yang menentukan efek zat pada gaya Coulomb, dan notasi hukum Coulomb terlihat seperti ini:
F=((1/4)*π** )*(|q1|*|q2|/r2).
Besaran ini dilambangkan dengan huruf Yunani (epsilon), tidak berdimensi (tidak memiliki satuan ukuran). Permitivitas dielektrik adalah koefisien redaman interaksi muatan dalam materi.
Seringkali dalam fisika permitivitas dielektrik digunakan bersama dengan konstanta listrik, dalam hal ini lebih mudah untuk memperkenalkan konsep permitivitas dielektrik absolut. Ini dilambangkan dengansebuah dan sama dengansebuah=* . Dalam hal ini permeabilitas absolut memiliki dimensi F/m. Permeabilitas normal juga disebut relatif, untuk membedakannya darisebuah.
Sifat permitivitas dielektrik
Sifat permitivitas dielektrik didasarkan pada fenomena polarisasi di bawah aksi medan listrik. Sebagian besar zat umumnya netral secara listrik, meskipun mengandung partikel bermuatan. Partikel-partikel ini tersusun secara kacau dalam suatu massa materi dan medan listriknya rata-rata saling menetralkan.
Dielektrik mengandung sebagian besar muatan terikat (disebut dipol). Dipol ini secara konvensional mewakili kumpulan dua partikel yang berbeda, yang secara spontan berorientasi sepanjang ketebalan dielektrik dan, rata-rata, menciptakan kekuatan medan listrik nol. Di bawah aksi medan eksternal, dipol cenderung mengorientasikan diri sesuai dengan gaya yang diterapkan. Akibatnya, medan listrik tambahan dibuat. Fenomena serupa terjadi pada dielektrik non-polar.
Dalam konduktor, prosesnya serupa, hanya ada muatan bebas yang terpisah di bawah aksi medan eksternal dan juga menciptakan medan listriknya sendiri. Bidang ini diarahkan ke bidang luar, melindungi muatan dan mengurangi kekuatan interaksi mereka. Semakin besar kemampuan polarisasi suatu zat, semakin tinggi .
Permitivitas dielektrik dari zat yang berbeda
Zat yang berbeda memiliki permitivitas dielektrik yang berbeda. Nilai untuk beberapa di antaranya ditunjukkan pada Tabel 1. Jelas, nilai-nilai ini lebih besar dari satu, sehingga interaksi muatan, dibandingkan dengan vakum, selalu berkurang.Juga perlu diperhatikan bahwa untuk udara sedikit lebih dari satu, oleh karena itu interaksi muatan di udara secara praktis tidak berbeda dengan interaksi dalam ruang hampa.
Tabel 1. Nilai permeabilitas listrik untuk berbagai zat.
| Zat | Permitivitas dielektrik |
|---|---|
| Bakelite | 4,5 |
| Kertas | 2,0..3,5 |
| Air | 81 (pada +20°C) |
| Udara | 1,0002 |
| Germanium | 16 |
| Hetinax | 5..6 |
| Kayu | 2,7...7,5 (berbagai nilai) |
| Radioteknik keramik | 10..200 |
| Mika | 5,7..11,5 |
| Kaca | 7 |
| Textolite | 7,5 |
| Polistirena | 2,5 |
| Poliklorvinil | 3 |
| Fluoroplastik | 2,1 |
| Amber | 2,7 |
Konstanta dielektrik kapasitor dan kapasitansi
Mengetahui nilai dalam praktek adalah penting, misalnya dalam desain kapasitor listrik. Milik mereka kapasitansi tergantung pada dimensi cangkang, jarak antara cangkang dan konstanta dielektrik dielektrik.
Jika Anda ingin membuat sebuah kapasitor Jika elektroda memiliki kapasitansi yang lebih tinggi, maka peningkatan area penutup menyebabkan peningkatan ukuran. Ada juga keterbatasan praktis dalam mengurangi jarak antara elektroda. Dalam hal ini, penggunaan isolator dengan peningkatan konstanta dielektrik dapat membantu. Jika bahan dengan lebih tinggi digunakan, ukuran elektroda dapat dikurangi berkali-kali, atau jarak di antara mereka dapat ditingkatkan tanpa kehilangan kapasitansi listrik.
Kategori zat yang terpisah disebut listrik segmen, yang dalam kondisi tertentu memiliki polarisasi spontan. Dalam bidang yang sedang dipertimbangkan mereka dicirikan oleh dua hal:
- nilai permitivitas dielektrik yang besar (nilai karakteristik - dari ratusan hingga beberapa ribu);
- kemampuan untuk mengontrol nilai permitivitas dielektrik dengan mengubah medan listrik eksternal.
Sifat-sifat ini digunakan untuk memproduksi kapasitor berkapasitas tinggi (karena peningkatan permitivitas dielektrik isolator) dengan massa dan dimensi yang kecil.
Perangkat semacam itu hanya berfungsi di sirkuit AC frekuensi rendah - dengan meningkatnya frekuensi konstanta dielektriknya berkurang. Aplikasi feroelektrik lainnya adalah kapasitor variabel, yang karakteristiknya berubah di bawah pengaruh medan listrik yang diterapkan dengan parameter yang bervariasi.
Permitivitas dielektrik dan rugi-rugi dielektrik
Rugi-rugi dielektrik, yaitu bagian dari energi yang hilang dalam dielektrik menjadi panas, juga bergantung pada konstanta dielektrik. Parameter tg , tangen sudut rugi-rugi dielektrik, biasanya digunakan untuk menggambarkan rugi-rugi ini. Ini mencirikan kekuatan kerugian dielektrik dalam kapasitor di mana dielektrik terbuat dari bahan dengan tg . Dan daya kehilangan spesifik untuk setiap zat didefinisikan oleh rumus p=E2*ώ*ε*ε*tg , dimana:
- p - kekuatan kerugian spesifik, W;
- =2*π*f - frekuensi lingkaran medan listrik;
- E - kuat medan listrik, V/m.
Jelas, semakin tinggi permitivitas dielektrik, semakin tinggi kerugian dalam dielektrik, semua kondisi lain dianggap sama.
Ketergantungan permitivitas dielektrik pada faktor eksternal
Perlu dicatat bahwa nilai permitivitas dielektrik tergantung pada frekuensi medan listrik (dalam hal ini, frekuensi tegangan yang diterapkan pada permukaan). Dengan meningkatnya frekuensi, nilai dalam banyak zat berkurang. Efek ini diucapkan untuk dielektrik polar. Fenomena ini dapat dijelaskan oleh fakta bahwa muatan (dipol) tidak lagi memiliki waktu untuk mengikuti medan. Untuk zat yang dicirikan oleh polarisasi ionik atau elektronik, ketergantungan permitivitas dielektrik pada frekuensi kecil.
Inilah sebabnya mengapa pemilihan bahan untuk membuat dielektrik kapasitor sangat penting. Apa yang bekerja pada frekuensi rendah belum tentu menghasilkan isolasi berkualitas pada frekuensi tinggi. Lebih sering daripada tidak, dielektrik non-polar digunakan sebagai isolator pada frekuensi tinggi.
Juga, konstanta dielektrik tergantung pada suhu, dan itu bervariasi dari zat ke zat. Dalam dielektrik non-polar, ia turun dengan meningkatnya suhu. Dalam hal ini, untuk kapasitor yang dibuat dengan isolator seperti itu, kita berbicara tentang koefisien suhu negatif dari kapasitansi (TKE) - kapasitansi jatuh dengan meningkatnya suhu mengikuti . Zat lain memiliki permeabilitas yang lebih tinggi dengan meningkatnya suhu, dan dimungkinkan untuk mendapatkan kapasitor dengan TKE positif. Dengan memasangkan kapasitor dengan TKE yang berlawanan, kapasitansi termostabil dapat diperoleh.
Memahami esensi dan pengetahuan tentang konstanta dielektrik berbagai zat penting untuk tujuan praktis. Dan kemampuan untuk mengontrol tingkat permitivitas dielektrik memberikan perspektif teknis tambahan.
Artikel terkait:
