Τα φορτία αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σε διαφορετικά μέσα με διαφορετικές δυνάμεις, που καθορίζονται από το νόμο του Coulomb. Οι ιδιότητες αυτών των μέσων προσδιορίζονται από μια ποσότητα που ονομάζεται διαπερατότητα.
Περιεχόμενο
Τι είναι η διηλεκτρική σταθερά
Σύμφωνα με ο νόμος του Κουλόμπ, δύο χρεώσεις σταθερού σημείου q1 και q2 στο κενό αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με τη δύναμη που δίνει ο τύπος Fτάξη=((1/4)*π*ε)*(| q1|*|q2|/r2), όπου:
- φάτάξη είναι η δύναμη Coulomb, N;
- q1, q2 είναι μονάδες φόρτισης, C;
- r είναι η απόσταση μεταξύ των φορτίων, m;
- ε0 - ηλεκτρική σταθερά, 8,85 * 10-12 F/m (Φαράντ ανά μέτρο).
Εάν η αλληλεπίδραση δεν λαμβάνει χώρα στο κενό, ο τύπος περιλαμβάνει μια άλλη ποσότητα που καθορίζει την επίδραση της ύλης στη δύναμη Coulomb και ο νόμος Coulomb γράφεται ως εξής:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Η τιμή αυτή συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα ε (έψιλον), είναι αδιάστατη (δεν έχει μονάδα μέτρησης). Η διηλεκτρική διαπερατότητα είναι ο συντελεστής εξασθένησης της αλληλεπίδρασης φορτίων σε μια ουσία.
Συχνά στη φυσική, η διαπερατότητα χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με την ηλεκτρική σταθερά, οπότε είναι βολικό να εισαχθεί η έννοια της απόλυτης διαπερατότητας. Συμβολίζεται με εένα και ισούται με εένα= ε*μι. Στην περίπτωση αυτή η απόλυτη διαπερατότητα έχει διάσταση F/m. Η συνήθης διαπερατότητα ε ονομάζεται επίσης σχετική για να διακρίνεται από το εένα.
Η φύση της επιτρεπτότητας
Η φύση της διαπερατότητας βασίζεται στο φαινόμενο της πόλωσης υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου. Οι περισσότερες ουσίες είναι γενικά ηλεκτρικά ουδέτερες, αν και περιέχουν φορτισμένα σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια βρίσκονται τυχαία στη μάζα της ύλης και τα ηλεκτρικά τους πεδία, κατά μέσο όρο, εξουδετερώνουν το ένα το άλλο.
Στα διηλεκτρικά υπάρχουν κυρίως δεσμευμένα φορτία (λέγονται δίπολα). Αυτά τα δίπολα αντιπροσωπεύουν συμβατικά δέσμες δύο ανόμοιων σωματιδίων, τα οποία είναι αυθόρμητα προσανατολισμένα κατά μήκος του πάχους του διηλεκτρικού και, κατά μέσο όρο, δημιουργούν μηδενική ένταση ηλεκτρικού πεδίου. Κάτω από τη δράση ενός εξωτερικού πεδίου, τα δίπολα τείνουν να προσανατολίζονται σύμφωνα με την εφαρμοζόμενη δύναμη. Ως αποτέλεσμα, δημιουργείται ένα επιπλέον ηλεκτρικό πεδίο. Παρόμοια φαινόμενα συμβαίνουν και στα μη πολικά διηλεκτρικά.
Στους αγωγούς, οι διαδικασίες είναι παρόμοιες, μόνο που υπάρχουν ελεύθερα φορτία, τα οποία διαχωρίζονται υπό τη δράση ενός εξωτερικού πεδίου και δημιουργούν επίσης το δικό τους ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό το πεδίο κατευθύνεται προς το εξωτερικό, ελέγχει τα φορτία και μειώνει την ισχύ της αλληλεπίδρασής τους.Όσο μεγαλύτερη είναι η ικανότητα μιας ουσίας να πολώνει, τόσο υψηλότερη είναι η ε.
Διηλεκτρική σταθερά διαφόρων ουσιών
Διαφορετικές ουσίες έχουν διαφορετικές διηλεκτρικές σταθερές. Η τιμή του ε για μερικά από αυτά δίνεται στον Πίνακα 1. Είναι προφανές ότι αυτές οι τιμές είναι μεγαλύτερες από τη μονάδα, επομένως η αλληλεπίδραση των φορτίων, σε σύγκριση με το κενό, μειώνεται πάντα. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι για τον αέρα το ε είναι ελαφρώς περισσότερο από τη μονάδα, επομένως η αλληλεπίδραση των φορτίων στον αέρα πρακτικά δεν διαφέρει από την αλληλεπίδραση στο κενό.
Πίνακας 1. Τιμές ηλεκτρικής διαπερατότητας για διάφορες ουσίες.
| Ουσία | Η διηλεκτρική σταθερά |
|---|---|
| Βακελίτης | 4,5 |
| Χαρτί | 2,0..3,5 |
| Νερό | 81 (στους +20 βαθμούς C) |
| Αέρας | 1,0002 |
| Γερμάνιο | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Ξύλο | 2.7..7.5 (διάφοροι βαθμοί) |
| Κεραμικά ραδιομηχανικής | 10..200 |
| Μαρμαρυγίας | 5,7..11,5 |
| Ποτήρι | 7 |
| Textolite | 7,5 |
| Πολυστυρένιο | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Φθοριοπλάστη | 2,1 |
| Κεχριμπάρι | 2,7 |
Διηλεκτρική σταθερά και χωρητικότητα του πυκνωτή
Η γνώση της τιμής του ε είναι σημαντική στην πράξη, για παράδειγμα, κατά τη δημιουργία ηλεκτρικών πυκνωτών. Τους χωρητικότητα εξαρτάται από τις γεωμετρικές διαστάσεις των πλακών, την απόσταση μεταξύ τους και τη διαπερατότητα του διηλεκτρικού.
Αν χρειαστεί να πάρετε πυκνωτής αυξημένη χωρητικότητα, τότε η αύξηση της επιφάνειας των πλακών οδηγεί σε αύξηση των διαστάσεων. Υπάρχουν επίσης πρακτικά όρια στη μείωση της απόστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων. Σε αυτή την περίπτωση, η χρήση μονωτή με αυξημένη διηλεκτρική σταθερά μπορεί να βοηθήσει. Εάν χρησιμοποιείτε υλικό με υψηλότερο ε, μπορείτε να πολλαπλασιάσετε το μέγεθος των πλακών ή να αυξήσετε την απόσταση μεταξύ τους χωρίς απώλεια ηλεκτρική χωρητικότητα.
Οι ουσίες που ονομάζονται σιδηροηλεκτρικά διακρίνονται σε μια ξεχωριστή κατηγορία, στην οποία, υπό ορισμένες συνθήκες, εμφανίζεται αυθόρμητη πόλωση.Στην υπό εξέταση περιοχή, χαρακτηρίζονται από δύο σημεία:
- μεγάλες τιμές διηλεκτρικής διαπερατότητας (τυπικές τιμές - από εκατοντάδες έως αρκετές χιλιάδες).
- την ικανότητα ελέγχου της τιμής της διηλεκτρικής σταθεράς αλλάζοντας το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο.
Αυτές οι ιδιότητες χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πυκνωτών υψηλής χωρητικότητας (λόγω της αυξημένης τιμής της διηλεκτρικής σταθεράς του μονωτή) με μικρούς δείκτες βάρους και μεγέθους.
Τέτοιες συσκευές λειτουργούν μόνο σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος χαμηλής συχνότητας - καθώς αυξάνεται η συχνότητα, η διηλεκτρική τους σταθερά μειώνεται. Μια άλλη εφαρμογή των σιδηροηλεκτρικών είναι οι μεταβλητοί πυκνωτές, των οποίων τα χαρακτηριστικά αλλάζουν υπό την επίδραση ενός εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου με ποικίλες παραμέτρους.
Διηλεκτρική σταθερά και διηλεκτρικές απώλειες
Επίσης, οι απώλειες στο διηλεκτρικό εξαρτώνται από την τιμή της διηλεκτρικής σταθεράς - αυτό είναι το μέρος της ενέργειας που χάνεται στο διηλεκτρικό για να το θερμάνει. Για να περιγραφούν αυτές οι απώλειες, χρησιμοποιείται συνήθως η παράμετρος tan δ - η εφαπτομένη της γωνίας διηλεκτρικής απώλειας. Χαρακτηρίζει την ισχύ των διηλεκτρικών απωλειών σε έναν πυκνωτή, στον οποίο το διηλεκτρικό είναι κατασκευασμένο από υλικό με διαθέσιμο tg δ. Και η ειδική απώλεια ισχύος για κάθε ουσία καθορίζεται από τον τύπο p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, όπου:
- p είναι η ειδική απώλεια ισχύος, W;
- ώ=2*π*f είναι η κυκλική συχνότητα του ηλεκτρικού πεδίου.
- E είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, V/m.
Προφανώς, όσο μεγαλύτερη είναι η διηλεκτρική σταθερά, τόσο μεγαλύτερες είναι οι απώλειες στο διηλεκτρικό, όλα τα άλλα πράγματα είναι ίσα.
Εξάρτηση της διαπερατότητας από εξωτερικούς παράγοντες
Πρέπει να σημειωθεί ότι η τιμή της διαπερατότητας εξαρτάται από τη συχνότητα του ηλεκτρικού πεδίου (στην περίπτωση αυτή, από τη συχνότητα της τάσης που εφαρμόζεται στις πλάκες). Καθώς αυξάνεται η συχνότητα, η τιμή του ε μειώνεται για πολλές ουσίες. Αυτό το φαινόμενο είναι έντονο για τα πολικά διηλεκτρικά. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι τα φορτία (δίπολα) παύουν να έχουν χρόνο να ακολουθήσουν το πεδίο. Για ουσίες που χαρακτηρίζονται από ιοντική ή ηλεκτρονική πόλωση, η εξάρτηση της διαπερατότητας από τη συχνότητα είναι μικρή.
Ως εκ τούτου, η επιλογή των υλικών για την κατασκευή ενός διηλεκτρικού πυκνωτή είναι τόσο σημαντική. Αυτό που λειτουργεί σε χαμηλές συχνότητες δεν θα παρέχει απαραίτητα καλή απομόνωση στις υψηλές συχνότητες. Τις περισσότερες φορές, τα μη πολικά διηλεκτρικά χρησιμοποιούνται ως μονωτές στο HF.
Επίσης, η διηλεκτρική σταθερά εξαρτάται από τη θερμοκρασία και σε διαφορετικές ουσίες με διαφορετικούς τρόπους. Για τα μη πολικά διηλεκτρικά, μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Σε αυτή την περίπτωση, για πυκνωτές που κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας έναν τέτοιο μονωτή, μιλούν για αρνητικό συντελεστή χωρητικότητας θερμοκρασίας (TKE) - χωρητικότητα μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας μετά από ε. Για άλλες ουσίες, η διαπερατότητα αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και μπορούν να ληφθούν πυκνωτές με θετικό TKE. Συμπεριλαμβάνοντας πυκνωτές με αντίθετο TKE σε ένα ζευγάρι, μπορείτε να έχετε μια θερμικά σταθερή χωρητικότητα.
Η κατανόηση της ουσίας και της γνώσης της αξίας της διαπερατότητας διαφόρων ουσιών είναι σημαντική για πρακτικούς σκοπούς. Και η δυνατότητα ελέγχου του επιπέδου της διηλεκτρικής σταθεράς παρέχει πρόσθετες τεχνικές προοπτικές.
Παρόμοια άρθρα:
