Lādiņi mijiedarbojas savā starpā dažādās vidēs ar dažādu spēku, ko regulē Kulona likums. Šo barotņu īpašības nosaka lielums, ko sauc par dielektrisko konstanti.
Saturs
Kāda ir dielektriskā caurlaidība
Saskaņā ar Kulona likumsir divi punktuāli stacionāri lādiņi q1 un q2 vakuumā mijiedarbojas ar spēku, ko nosaka formula Fcl= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), kur:
- Fcl - ir Kulona spēks, N;
- q1, q2 - ir lādiņu moduļi, kl;
- r ir attālums starp lādiņiem, m;
- ε0 - elektriskā konstante, 8,85*10-12 F/m (farads uz metru).
Ja mijiedarbība nenotiek vakuumā, formulā tiek iekļauts vēl viens lielums, kas nosaka vielas ietekmi uz Kulona spēku, un Kulona likums izskatās šādi.
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Šo lielumu apzīmē ar grieķu burtu ε (epsilons), un tas ir bez dimensijas (bez mērvienības). Dielektriskā konstante ir lādiņu mijiedarbības vājināšanās koeficients matērijā.
Bieži vien fizikā dielektrisko konstanti lieto kopā ar elektrisko konstanti, un šādā gadījumā ir ērti ieviest absolūtās dielektriskās konstantes jēdzienu. To apzīmē ar εa un ir vienāds ar εa= ε* ε. Šajā gadījumā absolūtā caurlaidība ir izmērā F/m. Normālo caurlaidību ε sauc arī par relatīvo caurlaidību, lai to atšķirtu no εa.
Dielektriskās caurlaidības raksturs
Dielektriskās caurlaidības īpašības pamatā ir polarizācijas fenomens elektriskā lauka ietekmē. Lielākā daļa vielu kopumā ir elektriski neitrālas, lai gan tajās ir uzlādētas daļiņas. Šīs daļiņas ir haotiski izvietotas vielas masā, un to elektriskie lauki vidēji viens otru neitralizē.
Dielektriķos pārsvarā ir saistīti lādiņi (ko sauc par dipoliem). Šie dipoli parasti ir divu atšķirīgu daļiņu kūļi, kas spontāni orientējas gar dielektriķa biezumu un vidēji rada nulles elektriskā lauka intensitāti. Darbojoties ārējam laukam, dipoliem ir tendence orientēties atbilstoši pieliktajam spēkam. Tas rada papildu elektrisko lauku. Līdzīgas parādības notiek arī nepolārajos dielektriķos.
Līdzīgi darbojas arī vadītāji, taču tiem ir brīvi lādiņi, kurus atdala ārējais lauks, un tie var radīt savu elektrisko lauku. Šis lauks ir vērsts pret ārējo lauku, pasargājot lādiņus un samazinot to mijiedarbības spēku. Jo lielāka vielas polarizācijas spēja, jo augstāka ε.
Dažādu vielu dielektriskā konstante
Dažādām vielām ir atšķirīga dielektriskā caurlaidība. Dažu no tiem ε vērtība ir parādīta 1. tabulā. Acīmredzot šīs vērtības ir lielākas par vienādību, tāpēc lādiņu mijiedarbība, salīdzinot ar vakuumu, vienmēr samazinās. Jāatzīmē arī, ka gaisam ε ir nedaudz lielāks par vienotību, tāpēc lādiņu mijiedarbība gaisā praktiski neatšķiras no mijiedarbības vakuumā.
1. tabula. Elektriskās caurlaidības vērtības dažādām vielām.
| Viela | Caurlaidība |
|---|---|
| Bakelīta | 4,5 |
| Papīrs | 2,0..3,5 |
| Ūdens | 81 (pie +20°C) |
| Air | 1,0002 |
| Ģermānijs | 16 |
| Gethinax | 5..6 |
| Koks | 2,7..7,5 (dažādas pakāpes) |
| Keramika Radio keramika | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Stikls | 7 |
| Textolite | 7,5 |
| Polistirols | 2,5 |
| Polivinilhlorīds | 3 |
| Fluoroplasts | 2,1 |
| Amber | 2,7 |
Kondensatora dielektriskā konstante un kapacitāte
Praksē ir svarīgi zināt ε vērtību, piemēram, projektējot elektriskos kondensatorus. Viņu kapacitāte ir atkarīga no ieliktņu ģeometriskiem izmēriem, attāluma starp tiem un dielektriķa dielektriskās konstantes.
Ja vēlaties izveidot kondensatoru kondensators Ja elektrodiem ir lielāka kapacitāte, tad, palielinot vāku laukumu, palielinās to izmērs. Pastāv arī praktiski ierobežojumi attāluma starp elektrodiem samazināšanai. Šajā gadījumā var palīdzēt izolatora ar paaugstinātu dielektrisko konstanti izmantošana. Ja izmanto materiālu ar augstāku ε, var samazināt elektrodu izmērus vai palielināt attālumu starp elektrodiem, nezaudējot to. elektriskā kapacitāte.
Atsevišķu materiālu kategoriju sauc par feroelektriķiem, kas noteiktos apstākļos var uzrādīt spontānu polarizāciju. Tos raksturo divas iezīmes attiecīgajā jomā:
- lielas dielektriskās caurlaidības vērtības (tipiskas vērtības ir no simtiem līdz vairākiem tūkstošiem);
- iespēja kontrolēt dielektriskās caurlaidības vērtību, mainot ārējo elektrisko lauku.
Šīs īpašības tiek izmantotas, lai izgatavotu lieljaudas kondensatorus (palielinot izolatora dielektrisko konstanti) ar maziem izmēriem.
Šīs ierīces darbojas tikai zemas frekvences maiņstrāvas ķēdēs - pieaugot frekvencei, to dielektriskā konstante samazinās. Vēl viens segmentēto dielektriķu pielietojums ir mainīgie kondensatori, kuru raksturlielumi mainās, iedarbojoties pieliktajam elektriskajam laukam ar mainīgiem parametriem.
Dielektriskā caurlaidība un dielektriskie zudumi
Arī dielektriskie zudumi - enerģijas daļa, kas dielektriķī tiek zaudēta siltuma pārnesē, - ir atkarīgi no dielektriskās konstantes. Lai aprakstītu šos zudumus, parasti izmanto parametru tg δ - dielektrisko zudumu leņķa tangensu. Tā raksturo dielektrisko zudumu jaudu kondensatorā, kurā dielektriķis ir izgatavots no materiāla ar pieejamu tg δ. Un katras vielas īpatnējo zudumu jaudu nosaka ar formulu p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, kur
- p ir zudumu īpatnējā jauda, W;
- ώ=2*π*f - elektriskā lauka cirkulārā frekvence;
- E - elektriskā lauka intensitāte, V/m.
Ir acīmredzams, ka jo lielāka dielektriskā caurlaidība, jo lielāki zudumi dielektriķī, ja pārējās lietas ir vienādas.
Dielektriskās caurlaidības atkarība no ārējiem faktoriem
Jāatzīmē, ka dielektriskās caurlaidības vērtība ir atkarīga no elektriskā lauka frekvences (šajā gadījumā - no sloksnēm pieliktā sprieguma frekvences). Pieaugot biežumam, ε vērtība daudzām vielām samazinās. Šis efekts ir izteikts polāriem dielektriķiem. Šo parādību var izskaidrot ar to, ka lādiņiem (dipoliem) vairs nav laika sekot laukam. Vielu, kurām raksturīga jonu vai elektroniskā polarizācija, dielektriskās konstantes frekvences atkarība ir maza.
Tāpēc ir tik svarīgi izvēlēties materiālus kondensatora dielektriķa izgatavošanai. Tas, kas darbojas zemās frekvencēs, ne vienmēr nodrošinās labu izolāciju augstās frekvencēs. Visbiežāk nepolārie dielektriķi tiek izmantoti kā izolators augstās frekvencēs.
Dielektriskā konstante ir atkarīga arī no temperatūras, un dažādās vielās tā ir atšķirīga. Nepolārajos dielektriķos tā samazinās, palielinoties temperatūrai. Šajā gadījumā kondensatoriem, kas izgatavoti ar šādu izolatoru, tiek runāts par negatīvu kapacitātes temperatūras koeficientu (TKE). Kapacitāte samazinās, palielinoties temperatūrai pēc ε. Citās vielās caurlaidība palielinās, palielinoties temperatūrai, un var iegūt kondensatorus ar pozitīvu TKE. Savienojot kondensatorus ar pretējām TKE, var iegūt termostabilo kapacitāti.
Dažādu vielu dielektriskās konstantes izpratne un zināšanas par to ir svarīgas praktiskiem mērķiem. Iespēja kontrolēt dielektriskās konstantes līmeni sniedz papildu tehniskās perspektīvas.
Saistītie raksti:
