Les càrregues interactuen entre si en diferents mitjans amb diferents forces, determinades per la llei de Coulomb. Les propietats d'aquests mitjans estan determinades per una quantitat anomenada permitivitat.
Contingut
Què és la constant dielèctrica
Segons llei de Coulomb, dues càrregues de punt fix q1 i q2 al buit interactuen entre si amb la força donada per la fórmula Fclasse=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), on:
- Fclasse és la força de Coulomb, N;
- q1, q2 són mòduls de càrrega, C;
- r és la distància entre càrregues, m;
- ε0 - constant elèctrica, 8,85 * 10-12 F/m (farad per metre).
Si la interacció no té lloc en el buit, la fórmula inclou una altra magnitud que determina la influència de la matèria sobre la força de Coulomb, i la llei de Coulomb s'escriu de la següent manera:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Aquest valor es denota amb la lletra grega ε (epsilon), és adimensional (no té unitat de mesura). La permitivitat dielèctrica és el coeficient d'atenuació de la interacció de les càrregues en una substància.
Sovint en física, la permitivitat s'utilitza conjuntament amb la constant elèctrica, en aquest cas és convenient introduir el concepte de permitivitat absoluta. Es denota amb εa i és igual a εa= ε*e. En aquest cas, la permeabilitat absoluta té la dimensió F/m. La permeabilitat ordinària ε també s'anomena relativa per distingir-la de εa.
La naturalesa de la permitivitat
La naturalesa de la permitivitat es basa en el fenomen de polarització sota l'acció d'un camp elèctric. La majoria de substàncies són generalment neutres elèctricament, tot i que contenen partícules carregades. Aquestes partícules es situen aleatòriament en la massa de la matèria i els seus camps elèctrics, de mitjana, es neutralitzen mútuament.
En els dielèctrics, hi ha principalment càrregues lligades (s'anomenen dipols). Aquests dipols representen convencionalment paquets de dues partícules diferents, que s'orienten espontàniament al llarg del gruix del dielèctric i, de mitjana, creen una intensitat de camp elèctric zero. Sota l'acció d'un camp extern, els dipols tendeixen a orientar-se segons la força aplicada. Com a resultat, es crea un camp elèctric addicional. Fenòmens similars també ocorren en dielèctrics no polars.
En els conductors, els processos són semblants, només que hi ha càrregues lliures, que es separen sota l'acció d'un camp extern i també creen el seu propi camp elèctric. Aquest camp es dirigeix cap a l'exterior, filtra les càrregues i redueix la força de la seva interacció.Com més gran és la capacitat d'una substància per polaritzar-se, més ε.
Constant dielèctrica de diverses substàncies
Diferents substàncies tenen diferents constants dielèctriques. El valor de ε per a alguns d'ells es dóna a la taula 1. És obvi que aquests valors són més grans que la unitat, de manera que la interacció de les càrregues, en comparació amb el buit, sempre disminueix. També cal tenir en compte que per a l'aire ε és una mica més que la unitat, de manera que la interacció de les càrregues a l'aire pràcticament no difereix de la interacció al buit.
Taula 1. Valors de permeabilitat elèctrica per a diverses substàncies.
| Substància | La constant dielèctrica |
|---|---|
| Baquelita | 4,5 |
| Paper | 2,0..3,5 |
| Aigua | 81 (a +20 graus C) |
| Aire | 1,0002 |
| Germani | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Fusta | 2.7..7.5 (diversos graus) |
| Ceràmica d'enginyeria radiofònica | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Vidre | 7 |
| Textolita | 7,5 |
| Poliestirè | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluoroplast | 2,1 |
| Ambre | 2,7 |
Constant dielèctrica i capacitat del condensador
Conèixer el valor de ε és important a la pràctica, per exemple, quan es creen condensadors elèctrics. Ells capacitat depèn de les dimensions geomètriques de les plaques, la distància entre elles i la permitivitat del dielèctric.
Si cal aconseguir condensador augment de la capacitat, llavors un augment de l'àrea de les plaques comporta un augment de les dimensions. També hi ha límits pràctics per reduir la distància entre els elèctrodes. En aquest cas, l'ús d'un aïllant amb una constant dielèctrica augmentada pot ajudar. Si utilitzeu un material amb un ε més elevat, podeu multiplicar la mida de les plaques o augmentar la distància entre elles sense pèrdua. capacitat elèctrica.
Les substàncies anomenades ferroelèctrics es distingeixen en una categoria separada, en la qual, sota determinades condicions, es produeix una polarització espontània.En l'àmbit considerat, es caracteritzen per dos punts:
- grans valors de permitivitat dielèctrica (valors típics - des de centenars a diversos milers);
- la capacitat de controlar el valor de la constant dielèctrica canviant el camp elèctric extern.
Aquestes propietats s'utilitzen per a la fabricació de condensadors d'alta capacitat (a causa de l'augment del valor de la constant dielèctrica de l'aïllant) amb indicadors de pes i mida reduïts.
Aquests dispositius només funcionen en circuits de corrent altern de baixa freqüència; a mesura que augmenta la freqüència, la seva constant dielèctrica disminueix. Una altra aplicació dels ferroelèctrics són els condensadors variables, les característiques dels quals canvien sota la influència d'un camp elèctric aplicat amb paràmetres variables.
Constant dielèctrica i pèrdues dielèctriques
A més, les pèrdues en el dielèctric depenen del valor de la constant dielèctrica: aquesta és la part de l'energia que es perd en el dielèctric per escalfar-lo. Per descriure aquestes pèrdues, normalment s'utilitza el paràmetre tan δ, la tangent de l'angle de pèrdua dielèctrica. Caracteritza la potència de les pèrdues dielèctriques en un condensador, en el qual el dielèctric està fet d'un material amb una tg δ disponible. I la pèrdua de potència específica per a cada substància ve determinada per la fórmula p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, on:
- p és la pèrdua de potència específica, W;
- ώ=2*π*f és la freqüència circular del camp elèctric;
- E és la intensitat del camp elèctric, V/m.
Òbviament, com més gran sigui la constant dielèctrica, més grans són les pèrdues en el dielèctric, sempre que totes les altres coses siguin iguals.
Dependència de la permitivitat de factors externs
Cal tenir en compte que el valor de la permitivitat depèn de la freqüència del camp elèctric (en aquest cas, de la freqüència de la tensió aplicada a les plaques). A mesura que augmenta la freqüència, el valor de ε disminueix per a moltes substàncies. Aquest efecte és pronunciat per als dielèctrics polars. Aquest fenomen es pot explicar pel fet que les càrregues (dipols) deixen de tenir temps per seguir el camp. Per a les substàncies que es caracteritzen per polarització iònica o electrònica, la dependència de la permitivitat de la freqüència és petita.
Per tant, la selecció de materials per fer un condensador dielèctric és tan important. El que funciona a freqüències baixes no necessàriament proporcionarà un bon aïllament a freqüències altes. Molt sovint, els dielèctrics no polars s'utilitzen com a aïllant a HF.
A més, la constant dielèctrica depèn de la temperatura i de diferents substàncies de diferents maneres. Per als dielèctrics no polars, disminueix amb l'augment de la temperatura. En aquest cas, per als condensadors fets amb aquest aïllant, parlen d'un coeficient de temperatura negatiu de la capacitat (TKE) - capacitat disminueix amb l'augment de la temperatura després de ε. Per a altres substàncies, la permeabilitat augmenta amb l'augment de la temperatura i es poden obtenir condensadors amb un TKE positiu. En incloure condensadors amb TKE oposat en un parell, podeu obtenir una capacitat tèrmicament estable.
Comprendre l'essència i el coneixement del valor de la permitivitat de diverses substàncies és important per a finalitats pràctiques. I la capacitat de controlar el nivell de constant dielèctrica proporciona perspectives tècniques addicionals.
Articles semblants:
