Wat is permittiviteit

Laadstoffen staan in wisselwerking met elkaar in verschillende media met verschillende sterkten, die worden beheerst door de wet van Coulomb. Een grootheid die de diëlektrische constante wordt genoemd, bepaalt de eigenschappen van deze media.

Wat is de diëlektrische permittiviteit

Volgens De wet van Coulombzijn er twee puntgewijs stationaire ladingen q₁ en q₂ in een vacuüm reageren met de kracht die gegeven wordt door de formule F_cl= ((1/4)*π* ε)*(|q₁|*|q₂|/r²), waarbij:

• F_cl - is de Coulomb-kracht, N;
• q₁, q₂ - zijn moduli van ladingen, kl;
• r is de afstand tussen de ladingen, m;
• ε₀ - elektrische constante, 8.85*10^-12 F/m (Farad per meter).

Als de interactie niet in vacuüm plaatsvindt, bevat de formule nog een grootheid die het effect van de stof op de Coulomb-kracht bepaalt, en ziet de notatie van de wet van Coulomb er als volgt uit

F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q₁|*|q₂|/r²).

Deze grootheid wordt aangeduid met de Griekse letter ε (epsilon) en is dimensieloos (heeft geen meeteenheid). De diëlektrische constante is de verzwakkingscoëfficiënt van de wisselwerking van ladingen in materie.

Vaak wordt in de natuurkunde de diëlektrische constante gebruikt in combinatie met de elektrische constante, in welk geval het handig is het begrip absolute diëlektrische constante te introduceren. Dit wordt aangeduid met ε_a en is gelijk aan ε_a= ε* ε. In dit geval heeft de absolute permeabiliteit de afmeting F/m. De normale permeabiliteit ε wordt ook relatieve permeabiliteit genoemd om hem te onderscheiden van ε_a.

De aard van de diëlektrische permittiviteit

De aard van de diëlektrische permittiviteit is gebaseerd op het verschijnsel van polarisatie onder invloed van een elektrisch veld. De meeste stoffen zijn in het algemeen elektrisch neutraal, hoewel zij geladen deeltjes bevatten. Deze deeltjes zijn chaotisch gerangschikt in een massa materie en hun elektrische velden neutraliseren elkaar gemiddeld.

Diëlektrica bevatten meestal gebonden ladingen (dipolen genoemd). Deze dipolen zijn conventioneel bundels van twee ongelijke deeltjes die spontaan georiënteerd zijn langs de dikte van het diëlektricum en gemiddeld een elektrische veldsterkte van nul opwekken. Onder invloed van een extern veld hebben de dipolen de neiging zich te oriënteren volgens de toegepaste kracht. Dit creëert een extra elektrisch veld. Soortgelijke verschijnselen doen zich voor in apolaire diëlektrische stoffen.

Geleiders werken op een soortgelijke manier, maar zij hebben vrije ladingen die door een extern veld worden gescheiden en zelf een elektrisch veld kunnen produceren. Dit veld is gericht tegen het externe veld, waardoor de ladingen worden afgeschermd en de kracht van hun wisselwerking wordt verminderd. Hoe groter het polarisatievermogen van een stof, hoe hoger ε.

Diëlektrische constante van verschillende stoffen

Verschillende stoffen hebben verschillende diëlektrische permittiteiten. De waarde van ε voor een aantal van hen is weergegeven in tabel 1. Het is duidelijk dat deze waarden groter zijn dan eenheid, zodat de interactie van de ladingen, in vergelijking met vacuüm, altijd afneemt. Ook moet worden opgemerkt dat ε voor lucht iets meer is dan eenheid, zodat de wisselwerking van ladingen in lucht praktisch niet verschilt van de wisselwerking in vacuüm.

Tabel 1. Waarden van elektrische permeabiliteit voor verschillende stoffen.

Diëlektrische constante en capaciteit van een condensator

Kennis van de waarde van ε is belangrijk in de praktijk, b.v. bij het ontwerpen van elektrische condensatoren. Hun capaciteit is afhankelijk van de geometrische afmetingen van de inserts, de afstand tussen de inserts en de diëlektrische constante van het diëlektricum.

Als je een condensator wilt maken een condensator Indien de elektroden een hogere capaciteit hebben, dan neemt door vergroting van het oppervlak van de deksels de omvang toe. Er zijn ook praktische beperkingen aan het verkleinen van de afstand tussen de elektroden. In dit geval kan het gebruik van een isolator met verhoogde diëlektrische constante helpen. Als een materiaal met een hogere ε wordt gebruikt, kan de grootte van de elektroden worden verkleind of kan de afstand tussen de elektroden worden vergroot zonder dat dit ten koste gaat van elektrische capaciteit.

Een aparte categorie materialen wordt ferro-elektrisch genoemd, dat onder bepaalde omstandigheden spontane polarisatie kan vertonen. Zij worden op het betrokken gebied door twee dingen gekenmerkt:

• grote diëlektrische permittiviteitswaarden (typische waarden variëren van honderden tot verscheidene duizenden);
• de mogelijkheid om de waarde van de diëlektrische permittiviteit te regelen door het externe elektrische veld te veranderen.

Deze eigenschappen worden gebruikt om condensatoren met hoge capaciteit te maken (door de diëlektrische constante van de isolator te verhogen) met kleine afmetingen.

Deze apparaten werken alleen in laagfrequente wisselstroomcircuits - met toenemende frequentie daalt hun diëlektrische constante. Een andere toepassing van gesegmenteerde diëlektrische materialen zijn variabele condensatoren, waarvan de eigenschappen veranderen onder invloed van een toegepast elektrisch veld met variërende parameters.

Diëlektrische permittiviteit en diëlektrische verliezen

Diëlektrische verliezen, het gedeelte van de energie dat in het diëlektricum verloren gaat aan warmte, hangen ook af van de diëlektrische constante. De parameter tg δ, de tangens van de hoek van het diëlektrisch verlies, wordt algemeen gebruikt om deze verliezen te beschrijven. Zij karakteriseert het vermogen van de diëlektrische verliezen in een condensator waarin het diëlektricum vervaardigd is van een materiaal met een tg δ. En het specifieke verliesvermogen voor elke stof wordt gedefinieerd door de formule p=E²*ώ*ε*ε*tg δ, waarbij

• p het specifieke vermogen van het verlies, W;
• ώ=2*π*f - circulaire frequentie van elektrisch veld;
• E - elektrische veldsterkte, V/m.

Het is duidelijk dat hoe hoger de diëlektrische permittiviteit is, hoe hoger de verliezen in het diëlektricum zijn, ceteris paribus.

Afhankelijkheid van diëlektrische permittiviteit van externe factoren

Opgemerkt zij dat de waarde van de diëlektrische permittiviteit afhangt van de frequentie van het elektrische veld (in dit geval, de frequentie van de spanning die op de strips wordt aangelegd). Met toenemende frequentie daalt de waarde van ε voor veel stoffen. Dit effect is uitgesproken voor polaire diëlektrica. Dit verschijnsel kan worden verklaard door het feit dat de ladingen (dipolen) niet langer de tijd hebben om het veld te volgen. In stoffen die gekenmerkt worden door ionische of elektronische polarisatie, is de frequentieafhankelijkheid van de diëlektrische constante klein.

Daarom is de keuze van de materialen voor het diëlektricum van een condensator zo belangrijk. Wat werkt bij lage frequenties zal niet noodzakelijk een goede isolatie opleveren bij hoge frequenties. Meestal worden niet-polaire diëlektrica gebruikt als isolator bij hoge frequenties.

De diëlektrische constante hangt ook af van de temperatuur, en varieert van stof tot stof. In apolaire diëlektrica daalt het met stijgende temperatuur. In dit geval spreekt men van een negatieve temperatuurscoëfficiënt van de capaciteit (TKE) voor condensatoren gemaakt met een dergelijke isolator De capaciteit daalt met toenemende temperatuur na ε. In andere stoffen neemt de permeabiliteit toe met toenemende temperatuur, en kunnen condensatoren met een positieve TKE worden verkregen. Door condensatoren met tegengestelde TKE's te paren, kan een thermostabiele capaciteit worden verkregen.

Inzicht in en kennis van de diëlektrische constante van verschillende stoffen is belangrijk voor praktische doeleinden. En de mogelijkheid om het niveau van de diëlektrische constante te regelen, biedt extra technische perspectieven.

Verwante artikelen: