Laddningar interagerar med varandra i olika medier med varierande styrka, vilket styrs av Coulombs lag. En storhet som kallas dielektrisk konstant bestämmer egenskaperna hos dessa medier.
Innehåll
Vad är den dielektriska permittiviteten?
Enligt Coulombs lagDet finns två punktvisa stationära laddningar q1 och q2 i ett vakuum interagerar med den kraft som ges av formeln Fcl= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), där:
- Fcl - är Coulombkraften, N;
- q1, q2 - Moduler för laddningarna, kl;
- r är avståndet mellan laddningarna, m;
- ε0 - elektrisk konstant, 8,85*10-12 F/m (Farad per meter).
Om växelverkan inte sker i vakuum innehåller formeln ytterligare en storhet som bestämmer ämnets effekt på Coulombkraften, och Coulombs lag ser då ut på följande sätt
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Denna storhet betecknas med den grekiska bokstaven ε (epsilon) och är dimensionslös (saknar måttenhet). Den dielektriska konstanten är dämpningskoefficienten för växelverkan mellan laddningar i materia.
Inom fysiken används ofta dielektrisk konstant tillsammans med den elektriska konstanten, och då är det lämpligt att införa begreppet absolut dielektrisk konstant. Detta betecknas med εa och är lika med εa= ε* ε. I detta fall är den absoluta permeabiliteten i dimensionen F/m. Den normala permeabiliteten ε kallas också relativ permeabilitet för att skilja den från εa.
Den dielektriska permittivitetens karaktär
Den dielektriska permittiviteten bygger på fenomenet polarisation under inverkan av ett elektriskt fält. De flesta ämnen är i allmänhet elektriskt neutrala, även om de innehåller laddade partiklar. Partiklarna är kaotiskt arrangerade i en massa materia och deras elektriska fält neutraliserar i genomsnitt varandra.
Dielektriska material innehåller mestadels bundna laddningar (så kallade dipoler). Dessa dipoler är vanligtvis buntar av två olika partiklar som spontant orienteras längs dielektrikums tjocklek och som i genomsnitt skapar en elektrisk fältstyrka på noll. Under inverkan av ett yttre fält tenderar dipolerna att orientera sig i enlighet med den pålagda kraften. Detta skapar ett ytterligare elektriskt fält. Liknande fenomen förekommer i opolära dielektriker.
Ledare fungerar på liknande sätt, men de har fria laddningar som är separerade av ett yttre fält och kan producera sitt eget elektriska fält. Detta fält är riktat mot det yttre fältet, vilket skyddar laddningarna och minskar kraften i deras växelverkan. Ju större polarisationsförmåga ett ämne har, desto högre ε.
Dielektrisk konstant för olika ämnen
Olika ämnen har olika dielektrisk permittivitet. Värdet på ε för några av dem visas i tabell 1. Det är uppenbart att dessa värden är större än enhet, så laddningarnas växelverkan minskar alltid i jämförelse med vakuum. Det är också nödvändigt att notera att ε för luft är lite mer än enhet, varför växelverkan mellan laddningar i luft praktiskt taget inte skiljer sig från växelverkan i vakuum.
Tabell 1. Värden för elektrisk permeabilitet för olika ämnen.
| Ämne | Permittivitet |
|---|---|
| Bakelit | 4,5 |
| Papper | 2,0..3,5 |
| Vatten | 81 (vid +20°C) |
| Luft | 1,0002 |
| Germanium | 16 |
| Gethinax | 5..6 |
| Trä | 2.7..7.5 (olika grader) |
| Keramik Radiokeramik | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Glas | 7 |
| Textolite | 7,5 |
| Polystyren | 2,5 |
| Polyvinylklorid | 3 |
| Fluorplast | 2,1 |
| Amber | 2,7 |
En kondensators dielektriska konstant och kapacitans
Det är viktigt att känna till värdet på ε i praktiken, t.ex. vid konstruktion av elektriska kondensatorer. Deras kapacitans är beroende av de geometriska dimensionerna hos insatserna, avståndet mellan dem och dielektricitetskonstanten hos dielektrikum.
Om du vill göra en kondensator en kondensator Om elektroderna har en högre kapacitans, ökar storleken på omslagen genom att öka ytan på omslagen. Det finns också praktiska begränsningar när det gäller att minska avståndet mellan elektroderna. I det här fallet kan det hjälpa att använda en isolator med ökad dielektrisk konstant. Om ett material med högre ε används kan elektrodernas storlek minskas eller avståndet mellan elektroderna ökas utan att förlora elektrisk kapacitans.
En separat kategori av material kallas ferroelektriska material som kan uppvisa spontan polarisering under vissa förhållanden. De kännetecknas av två saker på det aktuella området:
- Stora värden för dielektrisk permittivitet (typiska värden varierar från hundratals till flera tusen);
- förmågan att kontrollera värdet av den dielektriska permittiviteten genom att ändra det yttre elektriska fältet.
Dessa egenskaper används för att tillverka kondensatorer med hög kapacitet (genom att öka isolatorns dielektriska konstant) med små dimensioner.
Dessa enheter fungerar endast i lågfrekventa växelströmskretsar - med ökande frekvens sjunker deras dielektriska konstant. En annan tillämpning av ferroelektriska material är variabla kondensatorer vars egenskaper ändras under inverkan av ett elektriskt fält med varierande parametrar.
Dielektrisk permittivitet och dielektriska förluster
De dielektriska förlusterna, den del av energin som går förlorad i dielektricitet i form av värme, beror också på dielektricitetskonstanten. Parametern tg δ, tangenten till vinkeln för den dielektriska förlusten, används vanligen för att beskriva dessa förluster. Den karakteriserar effekten av dielektriska förluster i en kondensator där dielektrikumet är tillverkat av ett material med en tillgänglig tg δ. Den specifika förlustkraften för varje ämne definieras med formeln p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, där
- p är den specifika effekten av förlusten, W;
- ώ=2*π*f - det elektriska fältets cirkulära frekvens;
- E - elektrisk fältstyrka, V/m.
Det är uppenbart att ju högre dielektrisk permittivitet, desto högre är förlusterna i dielektrikumet, om allt annat är lika.
Den dielektriska permittivitetens beroende av externa faktorer
Det bör noteras att värdet av den dielektriska permittiviteten beror på frekvensen av det elektriska fältet (i det här fallet frekvensen av den spänning som appliceras på remsorna). Med ökad frekvens sjunker värdet på ε för många ämnen. Denna effekt är uttalad för polära dielektriker. Detta fenomen kan förklaras av att laddningarna (dipoler) inte längre hinner följa fältet. I ämnen som kännetecknas av jonisk eller elektronisk polarisering är dielektricitetskonstantens frekvensberoende litet.
Det är därför som valet av material för kondensatorns dielektricitet är så viktigt. Det som fungerar vid låga frekvenser ger inte nödvändigtvis god isolering vid höga frekvenser. Oftast används opolära dielektriska material som isolator vid höga frekvenser.
Den dielektriska konstanten beror också på temperaturen och varierar från ämne till ämne. I opolära dielektriker sjunker den med stigande temperatur. I detta fall talar man om en negativ temperaturkoefficient för kapacitans (TKE) för kondensatorer tillverkade med en sådan isolator. Kapaciteten sjunker med stigande temperatur efter ε. I andra ämnen ökar permeabiliteten med stigande temperatur, och kondensatorer med en positiv TKE kan erhållas. Genom att para ihop kondensatorer med motsatt TKE kan man få en termostabil kapacitans.
Att förstå och känna till den dielektriska konstanten hos olika ämnen är viktigt för praktiska ändamål. Möjligheten att styra nivån på dielektrisk konstant ger ytterligare tekniska perspektiv.
Relaterade artiklar:
