Naboji međusobno djeluju u različitim medijima s različitim silama, određenim Coulombovim zakonom. Svojstva tih medija određena su veličinom koja se naziva permitivnost.
Sadržaj
Što je dielektrična konstanta
Prema Coulombov zakon, dva naboja u fiksnoj točki q1 i q2 u vakuumu međusobno djeluju silom danom formulom Frazreda=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), gdje:
- Frazreda je Coulombova sila, N;
- q1, q2 su moduli punjenja, C;
- r je udaljenost između naboja, m;
- ε0 - električna konstanta, 8,85 * 10-12 F/m (farad po metru).
Ako se interakcija ne odvija u vakuumu, formula uključuje drugu veličinu koja određuje utjecaj materije na Coulombovu silu, a Coulombov zakon zapisuje se na sljedeći način:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Ova vrijednost je označena grčkim slovom ε (epsilon), bezdimenzionalna je (nema mjerne jedinice). Dielektrična permitivnost je koeficijent slabljenja međudjelovanja naboja u tvari.
Često se u fizici permitivnost koristi zajedno s električnom konstantom, u kojem slučaju je prikladno uvesti koncept apsolutne permitivnosti. Označava se s εa i jednaka je εa= ε*e. U ovom slučaju apsolutna propusnost ima dimenziju F/m. Obična propusnost ε također se naziva relativnom kako bi se razlikovala od εa.
Priroda permitivnosti
Priroda permitivnosti temelji se na fenomenu polarizacije pod djelovanjem električnog polja. Većina tvari je općenito električno neutralna, iako sadrže nabijene čestice. Te su čestice nasumično smještene u masi materije i njihova se električna polja u prosjeku međusobno neutraliziraju.
U dielektricima uglavnom postoje vezani naboji (zovu se dipoli). Ovi dipoli konvencionalno predstavljaju snopove dviju različitih čestica, koje su spontano orijentirane duž debljine dielektrika i u prosjeku stvaraju nultu jakost električnog polja. Pod djelovanjem vanjskog polja, dipoli se teže orijentirati prema primijenjenoj sili. Kao rezultat, stvara se dodatno električno polje. Slične se pojave također javljaju u nepolarnim dielektricima.
U vodičima su procesi slični, samo postoje slobodni naboji, koji se odvajaju pod djelovanjem vanjskog polja i također stvaraju vlastito električno polje. Ovo polje je usmjereno prema vanjskom, zaklanja naboje i smanjuje snagu njihove interakcije.Što je veća sposobnost tvari da polarizira, to je veći ε.
Dielektrična konstanta raznih tvari
Različite tvari imaju različite dielektrične konstante. Vrijednost ε za neke od njih data je u tablici 1. Očito je da su te vrijednosti veće od jedinice, pa se interakcija naboja, u usporedbi s vakuumom, uvijek smanjuje. Također treba napomenuti da je za zrak ε nešto više od jedinice, tako da se interakcija naboja u zraku praktički ne razlikuje od interakcije u vakuumu.
Tablica 1. Vrijednosti električne propusnosti za različite tvari.
| tvar | Dielektrična konstanta |
|---|---|
| Bakelit | 4,5 |
| Papir | 2,0..3,5 |
| Voda | 81 (na +20 stupnjeva C) |
| Zrak | 1,0002 |
| germanij | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Drvo | 2.7..7.5 (razne ocjene) |
| Radiotehnička keramika | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Staklo | 7 |
| Tekstolit | 7,5 |
| Polistiren | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluoroplast | 2,1 |
| jantar | 2,7 |
Dielektrična konstanta i kapacitet kondenzatora
Poznavanje vrijednosti ε važno je u praksi, na primjer, kada se stvaraju električni kondenzatori. Ih kapacitet ovisi o geometrijskim dimenzijama ploča, udaljenosti između njih i permitivnosti dielektrika.
Ako trebate dobiti kondenzator povećan kapacitet, zatim povećanje površine ploča dovodi do povećanja dimenzija. Također postoje praktična ograničenja za smanjenje udaljenosti između elektroda. U tom slučaju može pomoći korištenje izolatora s povećanom dielektričnom konstantom. Ako koristite materijal s većim ε, možete višestruko smanjiti veličinu ploča ili povećati razmak između njih bez gubitka električni kapacitet.
Tvari koje se nazivaju feroelektrici izdvajaju se u zasebnu kategoriju, u kojoj, pod određenim uvjetima, dolazi do spontane polarizacije.U području koje se razmatra, karakteriziraju ih dvije točke:
- velike vrijednosti dielektrične permitivnosti (tipične vrijednosti - od stotina do nekoliko tisuća);
- sposobnost kontrole vrijednosti dielektrične konstante promjenom vanjskog električnog polja.
Ova svojstva se koriste za proizvodnju kondenzatora velikog kapaciteta (zbog povećane vrijednosti dielektrične konstante izolatora) s malim pokazateljima težine i veličine.
Takvi uređaji rade samo u niskofrekventnim krugovima izmjenične struje - kako se frekvencija povećava, njihova se dielektrična konstanta smanjuje. Druga primjena feroelektrika su promjenjivi kondenzatori, čije se karakteristike mijenjaju pod utjecajem primijenjenog električnog polja s različitim parametrima.
Dielektrična konstanta i dielektrični gubici
Također, gubici u dielektriku ovise o vrijednosti dielektrične konstante – to je dio energije koji se gubi u dielektriku za njegovo zagrijavanje. Za opisivanje ovih gubitaka obično se koristi parametar tan δ – tangent kuta dielektričnog gubitka. Karakterizira snagu dielektričnih gubitaka u kondenzatoru, u kojem je dielektrik izrađen od materijala s raspoloživim tg δ. A specifični gubitak snage za svaku tvar određen je formulom p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, gdje je:
- p je specifični gubitak snage, W;
- ώ=2*π*f je kružna frekvencija električnog polja;
- E je jakost električnog polja, V/m.
Očito, što je dielektrična konstanta veća, to su gubici u dielektriku veći, pri svim ostalim jednakim uvjetima.
Ovisnost propusnosti o vanjskim čimbenicima
Valja napomenuti da vrijednost permitivnosti ovisi o frekvenciji električnog polja (u ovom slučaju o frekvenciji napona primijenjenog na ploče). Kako frekvencija raste, vrijednost ε opada za mnoge tvari. Ovaj učinak je izražen za polarne dielektrike. Taj se fenomen može objasniti činjenicom da naboji (dipoli) prestaju imati vremena pratiti polje. Za tvari koje karakterizira ionska ili elektronska polarizacija, ovisnost permitivnosti o frekvenciji je mala.
Stoga je odabir materijala za izradu kondenzatorskog dielektrika toliko važan. Ono što radi na niskim frekvencijama neće nužno osigurati dobru izolaciju na visokim frekvencijama. Najčešće se kao izolator na HF-u koriste nepolarni dielektrici.
Također, dielektrična konstanta ovisi o temperaturi, a u različitim tvarima na različite načine. Za nepolarne dielektrike on opada s porastom temperature. U ovom slučaju, za kondenzatore izrađene pomoću takvog izolatora, govore o negativnom temperaturnom koeficijentu kapaciteta (TKE) - kapacitet opada s porastom temperature nakon ε. Za ostale tvari propusnost raste s porastom temperature, a mogu se dobiti kondenzatori s pozitivnim TKE. Uključivanjem kondenzatora sa suprotnim TKE u par, možete dobiti termički stabilan kapacitet.
Razumijevanje suštine i poznavanje vrijednosti propusnosti različitih tvari važno je u praktične svrhe. A mogućnost kontrole razine dielektrične konstante pruža dodatne tehničke perspektive.
Slični članci:
