Зарядите взаимодействат помежду си в различни среди с различни сили, определени от закона на Кулон. Свойствата на тези среди се определят от величина, наречена проницаемост.
Съдържание
Какво е диелектрична константа
Според Законът на Кулон, два заряда с фиксирана точка q1 и q2 във вакуум взаимодействат помежду си със силата, дадена от формулата Fклас=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), където:
- Фклас е кулоновата сила, N;
- q1, q2 са зарядни модули, C;
- r е разстоянието между зарядите, m;
- ε0 - електрическа константа, 8,85 * 10-12 F/m (фарад на метър).
Ако взаимодействието не се осъществява във вакуум, формулата включва друга величина, която определя влиянието на материята върху кулоновата сила, а кулоновият закон се записва по следния начин:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Тази стойност се обозначава с гръцката буква ε (епсилон), тя е безразмерна (няма мерна единица). Диелектричната проницаемост е коефициентът на затихване на взаимодействието на зарядите в веществото.
Често във физиката диэлектричната проницаемост се използва във връзка с електрическата константа, в който случай е удобно да се въведе концепцията за абсолютна проницаемост. Означава се с εа и е равно на εа= ε*д. В този случай абсолютната пропускливост има размер F/m. Обикновената пропускливост ε се нарича също относителна, за да се разграничи от εа.
Естеството на проницаемостта
Естеството на проницаемостта се основава на явлението поляризация под действието на електрическо поле. Повечето вещества обикновено са електрически неутрални, въпреки че съдържат заредени частици. Тези частици са разположени произволно в масата на материята и техните електрически полета средно се неутрализират.
В диелектриците има предимно свързани заряди (те се наричат диполи). Тези диполи конвенционално представляват снопове от две различни частици, които са спонтанно ориентирани по дебелината на диелектрика и средно създават нулева напрегнатост на електрическото поле. Под действието на външно поле диполите са склонни да се ориентират според приложената сила. В резултат на това се създава допълнително електрическо поле. Подобни явления се срещат и в неполярните диелектрици.
В проводниците процесите са сходни, само че има свободни заряди, които се разделят под действието на външно поле и също създават собствено електрическо поле. Това поле е насочено към външното, екранира зарядите и намалява силата на тяхното взаимодействие.Колкото по-голяма е способността на дадено вещество да се поляризира, толкова по-високо е ε.
Диелектрична константа на различни вещества
Различните вещества имат различна диелектрична константа. Стойността на ε за някои от тях е дадена в таблица 1. Очевидно е, че тези стойности са по-големи от единица, така че взаимодействието на зарядите, в сравнение с вакуума, винаги намалява. Трябва също да се отбележи, че за въздуха ε е малко повече от единица, така че взаимодействието на зарядите във въздуха практически не се различава от взаимодействието във вакуум.
Таблица 1. Стойности на електрическа пропускливост за различни вещества.
| Вещество | Диелектричната константа |
|---|---|
| Бакелит | 4,5 |
| хартия | 2,0..3,5 |
| Вода | 81 (при +20 градуса С) |
| Въздух | 1,0002 |
| германий | 16 |
| гетинакс | 5..6 |
| дърво | 2.7..7.5 (различни степени) |
| Радиотехническа керамика | 10..200 |
| Слюда | 5,7..11,5 |
| Стъклена чаша | 7 |
| Текстолит | 7,5 |
| полистирол | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Флуоропласт | 2,1 |
| Амбър | 2,7 |
Диелектрична константа и капацитет на кондензатора
Познаването на стойността на ε е важно на практика, например при създаване на електрически кондензатори. те капацитет зависи от геометричните размери на плочите, разстоянието между тях и проницаемостта на диелектрика.
Ако трябва да получите кондензатор увеличен капацитет, след което увеличаването на площта на плочите води до увеличаване на размерите. Има и практически ограничения за намаляване на разстоянието между електродите. В този случай може да помогне използването на изолатор с повишена диелектрична константа. Ако използвате материал с по-високо ε, можете да намалите многократно размера на плочите или да увеличите разстоянието между тях без загуба електрически капацитет.
Веществата, наречени фероелектрици, се обособяват в отделна категория, в която при определени условия възниква спонтанна поляризация.В разглежданата област те се характеризират с две точки:
- големи стойности на диелектричната проницаемост (типични стойности - от стотици до няколко хиляди);
- способността да се контролира стойността на диелектричната константа чрез промяна на външното електрическо поле.
Тези свойства се използват за производството на кондензатори с голям капацитет (поради повишената стойност на диелектричната константа на изолатора) с малки показатели за тегло и размер.
Такива устройства работят само във вериги на променлив ток с ниска честота - с увеличаване на честотата тяхната диелектрична константа намалява. Друго приложение на фероелектриците са променливите кондензатори, чиито характеристики се променят под въздействието на приложено електрическо поле с различни параметри.
Диелектрична константа и диелектрични загуби
Също така загубите в диелектрика зависят от стойността на диелектричната константа - това е частта от енергията, която се губи в диелектрика, за да го нагрее. За описание на тези загуби обикновено се използва параметърът tan δ - тангенсът на ъгъла на диелектричните загуби. Той характеризира мощността на диелектричните загуби в кондензатор, в който диелектрикът е направен от материал с наличен tg δ. А специфичната загуба на мощност за всяко вещество се определя по формулата p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, където:
- p е специфичната загуба на мощност, W;
- ώ=2*π*f е кръговата честота на електрическото поле;
- E е силата на електрическото поле, V/m.
Очевидно, колкото по-висока е диелектричната константа, толкова по-големи са загубите в диелектрика, при равни други условия.
Зависимост на проницаемостта от външни фактори
Трябва да се отбележи, че стойността на диэлектричната проницаемост зависи от честотата на електрическото поле (в този случай от честотата на напрежението, приложено към плочите). С увеличаване на честотата стойността на ε намалява за много вещества. Този ефект е изразен за полярните диелектрици. Това явление може да се обясни с факта, че зарядите (диполите) престават да имат време да следват полето. За вещества, които се характеризират с йонна или електронна поляризация, зависимостта на диэлектричната проницаемост от честотата е малка.
Следователно изборът на материали за направата на кондензаторен диелектрик е толкова важен. Това, което работи при ниски честоти, не е задължително да осигури добра изолация при високи честоти. Най-често неполярните диелектрици се използват като изолатор при HF.
Също така диелектричната константа зависи от температурата и в различните вещества по различен начин. При неполярните диелектрици той намалява с повишаване на температурата. В този случай за кондензатори, направени с помощта на такъв изолатор, те говорят за отрицателен температурен коефициент на капацитет (TKE) - капацитет намалява с повишаване на температурата след ε. За други вещества пропускливостта се увеличава с повишаване на температурата и могат да се получат кондензатори с положителен TKE. Като включите кондензатори с противоположни TKE в двойка, можете да получите термично стабилен капацитет.
Разбирането на същността и познаването на стойността на проницаемостта на различни вещества е важно за практически цели. А възможността за контрол на нивото на диелектричната константа предоставя допълнителни технически перспективи.
Подобни статии:
