Naboji medsebojno delujejo v različnih medijih z različnimi močmi, kot določa Coulombov zakon. Lastnosti teh medijev določa količina, imenovana dielektrična prepustnost.
Vsebina
Kakšna je dielektrična prepustnost
Po navedbah Coulombov zakondva točkasta stacionarna naboja q1 in q2 v vakuumu delujejo s silo, podano s formulo Fkl= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), kje:
- Fkl - Coulombova sila, N;
- q1, q2 - moduli stroškov, kl;
- r je razdalja med naboji, m;
- ε0 - električna konstanta, 8,85*10-12 F/m (farad na meter).
Če se interakcija ne pojavi v vakuumu, formula vključuje drugo količino, ki določa učinek snovi na Coulombovo silo, zapis Coulombovega zakona pa izgleda takole:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
To količino označujemo z grško črko ε (epsilon), je brezdimenzijska (nima merske enote). Dielektrična prepustnost je koeficient slabljenja interakcije nabojev v snovi.
V fiziki se dielektrična prepustnost pogosto uporablja v povezavi z električno konstanto, v tem primeru je primerno uvesti koncept absolutne dielektrične prepustnosti. To je označeno z εa in je enak εa= ε* ε. V tem primeru ima absolutna prepustnost dimenzijo F/m. Normalno prepustnost ε imenujemo tudi relativna, da jo ločimo od εa.
Narava dielektrične prepustnosti
Narava dielektrične prepustnosti temelji na pojavu polarizacije pod delovanjem električnega polja. Večina snovi je na splošno električno nevtralnih, čeprav vsebujejo nabite delce. Ti delci so kaotično razporejeni v masi snovi in njihova električna polja se v povprečju nevtralizirajo.
Dielektriki vsebujejo večinoma vezane naboje (imenovane dipoli). Ti dipoli običajno predstavljajo snope dveh različnih delcev, ki so spontano usmerjeni vzdolž debeline dielektrika in v povprečju ustvarjajo ničelno električno poljsko jakost. Pod delovanjem zunanjega polja se dipoli usmerijo glede na uporabljeno silo. Posledično se ustvari dodatno električno polje. Podobni pojavi se pojavljajo pri nepolarnih dielektrikih.
V prevodnikih so procesi podobni, le da obstajajo prosti naboji, ki se pod delovanjem zunanjega polja ločijo in prav tako ustvarijo svoje električno polje. To polje je usmerjeno proti zunanjemu polju, ščiti naboje in zmanjšuje silo njihove interakcije. Večja kot je polarizacijska sposobnost snovi, večji je ε.
Dielektrična prepustnost različnih snovi
Različne snovi imajo različne dielektrične prepustnosti. Vrednost ε za nekatere od njih je prikazana v tabeli 1. Očitno so te vrednosti večje od enote, zato se interakcija nabojev v primerjavi z vakuumom vedno zmanjša.Prav tako je treba opozoriti, da je za zrak ε malo več kot enota, zato se interakcija nabojev v zraku praktično ne razlikuje od interakcije v vakuumu.
Tabela 1. Vrednosti električne prepustnosti za različne snovi.
| Snov | Dielektrična prepustnost |
|---|---|
| Bakelit | 4,5 |
| Papir | 2,0..3,5 |
| voda | 81 (pri +20°C) |
| zrak | 1,0002 |
| Germanij | 16 |
| Hetinaks | 5..6 |
| Les | 2,7...7,5 (različne stopnje) |
| Radiotehnična keramika | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Steklo | 7 |
| Tekstolit | 7,5 |
| Polistiren | 2,5 |
| Poliklorvinil | 3 |
| Fluoroplastika | 2,1 |
| Jantar | 2,7 |
Dielektrična konstanta in kapacitivnost kondenzatorja
Poznavanje vrednosti ε v praksi je pomembno, na primer pri načrtovanju električnih kondenzatorjev. Njihovo kapacitivnost je odvisna od dimenzij lupin, razdalje med njimi in dielektrične konstante dielektrika.
Če želite narediti kondenzator Če imajo elektrode večjo kapacitivnost, potem povečanje površine pokrovov povzroči povečanje velikosti. Obstajajo tudi praktične omejitve glede zmanjšanja razdalje med elektrodama. V tem primeru lahko pomaga uporaba izolatorja s povečano dielektrično konstanto. Če uporabimo material z višjim ε, lahko velikost elektrod večkrat zmanjšamo ali pa povečamo razdaljo med njimi brez izgube električna kapacitivnost.
Ločena kategorija snovi se imenuje segmentelektriki, ki imajo pod določenimi pogoji spontano polarizacijo. Na obravnavanem področju sta zanje značilni dve stvari:
- velike vrednosti dielektrične prepustnosti (značilne vrednosti - od sto do nekaj tisoč);
- sposobnost nadzora vrednosti dielektrične prepustnosti s spreminjanjem zunanjega električnega polja.
Te lastnosti se uporabljajo za izdelavo kondenzatorjev velike kapacitete (zaradi povečane dielektrične prepustnosti izolatorja) z majhno maso in dimenzijami.
Takšne naprave delujejo samo v nizkofrekvenčnih izmeničnih tokokrogih - z naraščajočo frekvenco se njihova dielektrična konstanta zmanjšuje. Druga uporaba feroelektrikov so spremenljivi kondenzatorji, katerih lastnosti se spreminjajo pod vplivom uporabljenega električnega polja z različnimi parametri.
Dielektrična prepustnost in dielektrične izgube
Od dielektrične konstante so odvisne tudi dielektrične izgube, to je del energije, ki se v dielektriku izgubi zaradi toplote. Za opis teh izgub se običajno uporablja parameter tg δ, tangens kota dielektričnih izgub. Označuje moč dielektričnih izgub v kondenzatorju, v katerem je dielektrik izdelan iz materiala s tg δ. In specifična moč izgube za vsako snov je definirana s formulo p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, kjer je:
- p - specifična moč izgub, W;
- ώ=2*π*f - krožna frekvenca električnega polja;
- E - električna poljska jakost, V/m.
Očitno je, da večja kot je dielektrična prepustnost, večje so izgube v dielektriku, če so vsi drugi pogoji enaki.
Odvisnost dielektrične prepustnosti od zunanjih dejavnikov
Upoštevati je treba, da je vrednost dielektrične prepustnosti odvisna od frekvence električnega polja (v tem primeru frekvence napetosti, ki deluje na obloge). Z naraščanjem frekvence se vrednost ε v mnogih snoveh zmanjšuje. Ta učinek je izrazit pri polarnih dielektrikih. Ta pojav je mogoče pojasniti z dejstvom, da naboji (dipoli) nimajo več časa slediti polju. Za snovi, za katere je značilna ionska ali elektronska polarizacija, je odvisnost dielektrične prepustnosti od frekvence majhna.
Zato je izbira materialov za izdelavo dielektrika kondenzatorja tako pomembna. Kar deluje pri nizkih frekvencah, ni nujno, da bo ustvarilo kakovostno izolacijo pri visokih frekvencah. Pogosteje se kot izolator pri visokih frekvencah uporabljajo nepolarni dielektriki.
Tudi dielektrična konstanta je odvisna od temperature in se razlikuje od snovi do snovi. Pri nepolarnih dielektrikih pada z naraščajočo temperaturo. V tem primeru za kondenzatorje, izdelane s takim izolatorjem, govorimo o negativnem temperaturnem koeficientu kapacitivnosti (TKE) - kapacitivnost pada z naraščanjem temperature po ε. Druge snovi imajo večjo prepustnost z naraščajočo temperaturo, zato je mogoče dobiti kondenzatorje s pozitivnim TKE. S povezovanjem kondenzatorjev z nasprotnimi TKE je mogoče doseči termostabilno kapacitivnost.
Razumevanje bistva in poznavanje dielektrične konstante različnih snovi je pomembno za praktične namene. Zmožnost nadzora ravni dielektrične prepustnosti pa zagotavlja dodatne tehnične perspektive.
Povezani članki:
