Ladninger interagerer med hinanden i forskellige medier med forskellige kræfter, bestemt af Coulombs lov. Disse mediers egenskaber bestemmes af en mængde kaldet permittiviteten.
Indhold
Hvad er dielektrisk konstant
Ifølge Coulombs lov, to faste punktafgifter q1 og q2 i vakuum interagere med hinanden med kraften givet af formlen Fklasse=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), hvor:
- Fklasse er Coulomb-kraften, N;
- q1, q2 er ladningsmoduler, C;
- r er afstanden mellem ladninger, m;
- ε0 - elektrisk konstant, 8,85 * 10-12 F/m (Farad pr. meter).
Hvis vekselvirkningen ikke finder sted i et vakuum, inkluderer formlen en anden størrelse, der bestemmer stoffets indflydelse på Coulomb-kraften, og Coulomb-loven er skrevet som følger:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Denne værdi er angivet med det græske bogstav ε (epsilon), den er dimensionsløs (har ingen måleenhed). Dielektrisk permittivitet er dæmpningskoefficienten for vekselvirkningen af ladninger i et stof.
Ofte i fysik bruges permittiviteten i forbindelse med den elektriske konstant, i hvilket tilfælde det er praktisk at introducere begrebet absolut permittivitet. Det er betegnet med ε-en og er lig med ε-en= ε*e. I dette tilfælde har den absolutte permeabilitet dimensionen F/m. Almindelig permeabilitet ε kaldes også relativ for at skelne den fra ε-en.
Permittivitetens natur
Permittivitetens natur er baseret på fænomenet polarisering under påvirkning af et elektrisk felt. De fleste stoffer er generelt elektrisk neutrale, selvom de indeholder ladede partikler. Disse partikler er placeret tilfældigt i stofmassen, og deres elektriske felter neutraliserer i gennemsnit hinanden.
I dielektrikum er der hovedsageligt bundne ladninger (de kaldes dipoler). Disse dipoler repræsenterer konventionelt bundter af to uens partikler, som er spontant orienteret langs tykkelsen af dielektrikumet og i gennemsnit skaber en elektrisk feltstyrke på nul. Under påvirkning af et eksternt felt har dipolerne en tendens til at orientere sig efter den påførte kraft. Som et resultat skabes et ekstra elektrisk felt. Lignende fænomener forekommer også i ikke-polære dielektrika.
I ledere er processerne ens, kun der er gratis ladninger, som adskilles under påvirkning af et eksternt felt og også skaber deres eget elektriske felt. Dette felt er rettet mod det ydre, skærmer ladningerne og reducerer styrken af deres interaktion.Jo større et stofs evne til at polarisere, jo højere ε.
Dielektrisk konstant for forskellige stoffer
Forskellige stoffer har forskellige dielektriske konstanter. Værdien af ε for nogle af dem er angivet i tabel 1. Det er indlysende, at disse værdier er større end enhed, så vekselvirkningen af ladninger, i sammenligning med vakuum, falder altid. Det skal også bemærkes, at for luft er ε lidt mere end enhed, så interaktionen af ladninger i luft adskiller sig praktisk talt ikke fra interaktionen i vakuum.
Tabel 1. Værdier af elektrisk permeabilitet for forskellige stoffer.
| Stof | Den dielektriske konstant |
|---|---|
| Bakelit | 4,5 |
| Papir | 2,0..3,5 |
| Vand | 81 (ved +20 grader C) |
| Luft | 1,0002 |
| Germanium | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Træ | 2.7..7.5 (forskellige karakterer) |
| Radioteknisk keramik | 10..200 |
| Glimmer | 5,7..11,5 |
| Glas | 7 |
| Tekstolit | 7,5 |
| Polystyren | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluoroplast | 2,1 |
| Rav | 2,7 |
Dielektrisk konstant og kondensatorens kapacitans
At kende værdien af ε er vigtigt i praksis, for eksempel når man laver elektriske kondensatorer. Dem kapacitet afhænger af pladernes geometriske dimensioner, afstanden mellem dem og dielektrikumets permittivitet.
Hvis du har brug for at få kondensator øget kapacitet, så fører en stigning i pladernes areal til en stigning i dimensionerne. Der er også praktiske grænser for at reducere afstanden mellem elektroderne. I dette tilfælde kan brugen af en isolator med øget dielektrisk konstant hjælpe. Hvis du bruger et materiale med en højere ε, kan du multiplicere reducere størrelsen af pladerne eller øge afstanden mellem dem uden tab elektrisk kapacitet.
Stoffer kaldet ferroelektriske stoffer skelnes i en separat kategori, hvor der under visse betingelser opstår spontan polarisering.I det pågældende område er de karakteriseret ved to punkter:
- store værdier af dielektrisk permittivitet (typiske værdier - fra hundreder til flere tusinde);
- evnen til at kontrollere værdien af dielektricitetskonstanten ved at ændre det eksterne elektriske felt.
Disse egenskaber bruges til fremstilling af højkapacitetskondensatorer (på grund af den øgede værdi af isolatorens dielektriske konstant) med små vægt- og størrelsesindikatorer.
Sådanne enheder fungerer kun i lavfrekvente vekselstrømkredsløb - når frekvensen stiger, falder deres dielektriske konstant. En anden anvendelse af ferroelektrik er variable kondensatorer, hvis karakteristika ændres under påvirkning af et påført elektrisk felt med varierende parametre.
Dielektriske konstante og dielektriske tab
Også tab i dielektrikumet afhænger af værdien af dielektrikumet - dette er den del af energien, der går tabt i dielektrikumet for at opvarme det. For at beskrive disse tab bruges parameteren tan δ normalt - tangenten af den dielektriske tabsvinkel. Det karakteriserer effekten af dielektriske tab i en kondensator, hvor dielektrikumet er lavet af et materiale med en tilgængelig tg δ. Og det specifikke effekttab for hvert stof bestemmes af formlen p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, hvor:
- p er det specifikke effekttab, W;
- ώ=2*π*f er den cirkulære frekvens af det elektriske felt;
- E er den elektriske feltstyrke, V/m.
Jo højere dielektricitetskonstanten er, jo større er tabene i dielektrikumet, alt andet lige.
Permittivitetens afhængighed af eksterne faktorer
Det skal bemærkes, at værdien af permittiviteten afhænger af frekvensen af det elektriske felt (i dette tilfælde af frekvensen af spændingen påført pladerne). Når frekvensen stiger, falder værdien af ε for mange stoffer. Denne effekt er udtalt for polære dielektrika. Dette fænomen kan forklares ved, at ladningerne (dipolerne) ophører med at have tid til at følge feltet. For stoffer, der er karakteriseret ved ionisk eller elektronisk polarisering, er permittivitetens afhængighed af frekvensen lille.
Derfor er valget af materialer til fremstilling af en kondensator dielektrisk så vigtigt. Hvad der virker ved lave frekvenser, vil ikke nødvendigvis give god isolation ved høje frekvenser. Oftest bruges ikke-polære dielektrika som isolator på HF.
Også den dielektriske konstant afhænger af temperatur og i forskellige stoffer på forskellige måder. For ikke-polære dielektrika falder den med stigende temperatur. I dette tilfælde, for kondensatorer fremstillet ved hjælp af en sådan isolator, taler de om en negativ temperaturkoefficient for kapacitans (TKE) - kapacitet falder med stigende temperatur efter ε. For andre stoffer stiger permeabiliteten med stigende temperatur, og der kan opnås kondensatorer med positiv TKE. Ved at medtage kondensatorer med modsat TKE i et par, kan man få en termisk stabil kapacitans.
Forståelse af essensen og viden om værdien af permittiviteten af forskellige stoffer er vigtig for praktiske formål. Og evnen til at kontrollere niveauet af dielektrisk konstant giver yderligere tekniske perspektiver.
Lignende artikler:
