Sarcinile interacționează între ele în diferite medii cu intensități diferite, care sunt guvernate de legea lui Coulomb. O mărime numită constantă dielectrică determină proprietățile acestor medii.
Cuprins
Care este permitivitatea dielectrică
Potrivit Legea lui Coulombexistă două sarcini staționare punctuale q1 și q2 în vid interacționează cu forța dată de formula Fcl= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), unde:
- Fcl - este forța Coulomb, N;
- q1, q2 - sunt modulele de sarcină, kl;
- r este distanța dintre încărcături, m;
- ε0 - constantă electrică, 8.85*10-12 F/m (Farad pe metru).
Dacă interacțiunea nu are loc în vid, formula include o altă mărime care determină efectul substanței asupra forței lui Coulomb, iar notația legii lui Coulomb arată astfel
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Această mărime este notată cu litera grecească ε (epsilon) și este adimensională (nu are o unitate de măsură). Constanta dielectrică este coeficientul de atenuare a interacțiunii sarcinilor în materie.
Adesea, în fizică, constanta dielectrică este utilizată împreună cu constanta electrică, caz în care este convenabil să se introducă conceptul de constantă dielectrică absolută. Aceasta se notează cu εa și este egală cu εa= ε* ε. În acest caz, permeabilitatea absolută este de ordinul F/m. Permeabilitatea normală ε se mai numește și permeabilitate relativă pentru a o deosebi de εa.
Natura permitivității dielectrice
Natura permitivității dielectrice se bazează pe fenomenul de polarizare sub acțiunea unui câmp electric. Majoritatea substanțelor sunt în general neutre din punct de vedere electric, deși conțin particule încărcate. Aceste particule sunt dispuse haotic într-o masă de materie, iar câmpurile electrice ale acestora se neutralizează reciproc în medie.
Dielectricii conțin în principal sarcini legate (numite dipoli). Acești dipoli sunt, în mod convențional, fascicule de două particule diferite care sunt orientate spontan de-a lungul grosimii dielectricului și care, în medie, creează o intensitate a câmpului electric egală cu zero. Sub acțiunea unui câmp exterior, dipolii tind să se orienteze în funcție de forța aplicată. Acest lucru creează un câmp electric suplimentar. Fenomene similare apar în cazul dielectricilor nepolari.
Conductorii funcționează într-un mod similar, dar au sarcini libere care sunt separate de un câmp extern și pot produce un câmp electric propriu. Acest câmp este îndreptat împotriva câmpului extern, protejând sarcinile și reducând forța interacțiunii lor. Cu cât capacitatea de polarizare a unei substanțe este mai mare, cu atât ε este mai mare.
Constanta dielectrică a diferitelor substanțe
Diferite substanțe au permitivități dielectrice diferite. Valoarea lui ε pentru unele dintre ele este prezentată în tabelul 1. Evident, aceste valori sunt mai mari decât unitatea, astfel încât interacțiunea sarcinilor, în comparație cu vidul, scade întotdeauna. De asemenea, este necesar să observăm că pentru aer ε este puțin mai mare decât unitatea, prin urmare interacțiunea sarcinilor în aer practic nu diferă de interacțiunea în vid.
Tabelul 1. Valori ale permeabilității electrice pentru diferite substanțe.
| Substanța | Permittivitate |
|---|---|
| Bakelite | 4,5 |
| Hârtie | 2,0..3,5 |
| Apă | 81 (la +20°C) |
| Aer | 1,0002 |
| Germaniu | 16 |
| Gethinax | 5..6 |
| Lemn | 2.7..7.5 (diferite grade) |
| Ceramică Ceramică radio | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Sticlă | 7 |
| Textolite | 7,5 |
| Polistiren | 2,5 |
| Clorură de polivinil | 3 |
| Fluoroplastic | 2,1 |
| Amber | 2,7 |
Constanta dielectrică și capacitatea unui condensator
Cunoașterea valorii lui ε este importantă în practică, de exemplu, în proiectarea condensatoarelor electrice. Lor capacitate depinde de dimensiunile geometrice ale inserțiilor, de distanța dintre ele și de constanta dielectrică a dielectricului.
Dacă doriți să faceți un condensator un condensator În cazul în care electrozii au o capacitate mai mare, atunci creșterea suprafeței capacelor mărește dimensiunea. Există, de asemenea, limitări practice în ceea ce privește reducerea distanței dintre electrozi. În acest caz, utilizarea unui izolator cu o constantă dielectrică crescută poate fi de ajutor. Dacă se utilizează un material cu un ε mai mare, dimensiunea electrozilor poate fi redusă sau distanța dintre electrozi poate fi mărită fără a se pierde capacitate electrică.
O categorie separată de materiale se numește feroelectrici, care pot prezenta polarizare spontană în anumite condiții. Acestea se caracterizează prin două lucruri în domeniul în cauză:
- valori mari ale permitivității dielectrice (valorile tipice variază de la sute la câteva mii);
- capacitatea de a controla valoarea permitivității dielectrice prin modificarea câmpului electric extern.
Aceste proprietăți sunt utilizate pentru a realiza condensatori de mare capacitate (prin creșterea constantei dielectrice a izolatorului) cu dimensiuni mici.
Aceste dispozitive funcționează numai în circuitele de curent alternativ de joasă frecvență - odată cu creșterea frecvenței, constanta lor dielectrică scade. O altă aplicație a dielectricilor segmentați este reprezentată de condensatoarele variabile, ale căror caracteristici se modifică sub influența unui câmp electric aplicat cu parametri variabili.
Permisivitatea dielectrică și pierderile dielectrice
Pierderile dielectrice, partea de energie care se pierde în dielectric sub formă de căldură, depind, de asemenea, de constanta dielectrică. Parametrul tg δ, tangenta unghiului de pierdere dielectrică, este utilizat în mod obișnuit pentru a descrie aceste pierderi. Aceasta caracterizează puterea pierderilor dielectrice într-un condensator în care dielectricul este realizat dintr-un material cu o tg δ disponibilă. Iar pierderea de putere specifică pentru fiecare substanță este definită prin formula p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, unde
- p este puterea specifică de pierdere, W;
- ώ=2*π*f - frecvența circulară a câmpului electric;
- E - intensitatea câmpului electric, V/m.
Este evident că, cu cât permitivitatea dielectrică este mai mare, cu atât pierderile în dielectric sunt mai mari, celelalte lucruri fiind egale.
Dependența permitivității dielectrice de factorii externi
Trebuie remarcat faptul că valoarea permitivității dielectrice depinde de frecvența câmpului electric (în acest caz, de frecvența tensiunii aplicate benzilor). Odată cu creșterea frecvenței, valoarea lui ε scade pentru multe substanțe. Acest efect este pronunțat pentru dielectrici polari. Acest fenomen poate fi explicat prin faptul că sarcinile (dipolii) nu mai au timp să urmărească câmpul. În cazul substanțelor care se caracterizează prin polarizare ionică sau electronică, dependența de frecvență a constantei dielectrice este mică.
Acesta este motivul pentru care alegerea materialelor pentru a face un dielectric de condensator este atât de importantă. Ceea ce funcționează la frecvențe joase nu va produce neapărat o bună izolare la frecvențe înalte. De cele mai multe ori, dielectricele nepolare sunt utilizate ca izolator la frecvențe înalte.
Constanta dielectrică depinde, de asemenea, de temperatură și variază de la o substanță la alta. În cazul dielectricilor nepolari, acesta scade odată cu creșterea temperaturii. În acest caz, se vorbește de coeficientul de capacitate la temperatură negativ (TKE) pentru condensatoarele realizate cu un astfel de izolator. Capacitatea scade cu creșterea temperaturii după ε. În cazul altor substanțe, permeabilitatea crește odată cu creșterea temperaturii și se pot obține condensatori cu un TKE pozitiv. Prin împerecherea condensatoarelor cu TKE opuse, se poate obține o capacitate termostabilă.
Înțelegerea și cunoașterea constantei dielectrice a diferitelor substanțe este importantă în scopuri practice. Iar capacitatea de a controla nivelul constantei dielectrice oferă perspective tehnice suplimentare.
Articole conexe:
