A töltések különböző közegekben különböző erősségű kölcsönhatásba lépnek egymással, amelyet a Coulomb-törvény szabályoz. A dielektromos állandónak nevezett mennyiség határozza meg e közegek tulajdonságait.
Tartalomjegyzék
Mi a dielektromos permittivitás
A Coulomb törvényekét pontszerűen helyhez kötött q1 és q2 a vákuumban kölcsönhatásba lépnek az Fcl= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), ahol:
- Fcl - a Coulomb-erő, N;
- q1, q2 - a töltések modulusai, kl;
- r a töltések közötti távolság, m;
- ε0 - elektromos állandó, 8,85*10-12 F/m (Farad per méter).
Ha a kölcsönhatás nem vákuumban történik, a képlet tartalmaz egy másik mennyiséget, amely meghatározza az anyag hatását a Coulomb-erőre, és a Coulomb-törvény jelölése így néz ki
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Ezt a mennyiséget a görög ε (epsilon) betűvel jelölik, és dimenziótlan (nincs mértékegysége). A dielektromos állandó az anyagban lévő töltések kölcsönhatásának csillapítási együtthatója.
A fizikában gyakran használják a dielektromos állandót az elektromos állandóval együtt, ilyenkor célszerű bevezetni az abszolút dielektromos állandó fogalmát. Ezt az ε jelölia és egyenlő εa= ε* ε. Ebben az esetben az abszolút permeabilitás F/m dimenziójú. Az ε normál permeabilitást relatív permeabilitásnak is nevezik, hogy megkülönböztessék az εa.
A dielektromos permittivitás jellege
A dielektromos áteresztőképesség természete az elektromos tér hatására bekövetkező polarizáció jelenségén alapul. A legtöbb anyag általában elektromosan semleges, bár tartalmaznak töltött részecskéket. Ezek a részecskék kaotikusan helyezkednek el egy anyagtömegben, és elektromos tereik átlagosan semlegesítik egymást.
A dielektrikumok többnyire kötött töltéseket (úgynevezett dipólusokat) tartalmaznak. Ezek a dipólusok hagyományosan két különböző részecskéből álló kötegek, amelyek spontán orientálódnak a dielektrikum vastagsága mentén, és átlagosan nulla elektromos térerősséget hoznak létre. Külső mező hatására a dipólusok az alkalmazott erőnek megfelelően orientálódnak. Ez további elektromos mezőt hoz létre. Hasonló jelenségek fordulnak elő a nem poláris dielektrikumokban.
A vezetők hasonlóan működnek, de szabad töltésekkel rendelkeznek, amelyeket külső tér választ el, és képesek saját elektromos mezőt létrehozni. Ez a mező a külső mező ellen irányul, leárnyékolja a töltéseket, és csökkenti a kölcsönhatásuk erejét. Minél nagyobb egy anyag polarizációs képessége, annál nagyobb az ε.
Különböző anyagok dielektromos állandója
A különböző anyagok különböző dielektromos permittivitással rendelkeznek. Az ε értéke néhányuk esetében az 1. táblázatban látható. Nyilvánvaló, hogy ezek az értékek nagyobbak az egységnél, tehát a töltések kölcsönhatása a vákuumhoz képest mindig csökken. Azt is meg kell jegyezni, hogy a levegő esetében ε valamivel több, mint egység, ezért a töltések kölcsönhatása a levegőben gyakorlatilag nem különbözik a vákuumban lévő kölcsönhatástól.
1. táblázat. Az elektromos permeabilitás értékei különböző anyagok esetében.
| Anyag | Permittivitás |
|---|---|
| Bakelit | 4,5 |
| Papír | 2,0..3,5 |
| Víz | 81 (+20°C-on) |
| Air | 1,0002 |
| Germánium | 16 |
| Gethinax | 5..6 |
| Fa | 2.7..7.5 (különböző osztályzatok) |
| Kerámia Rádió kerámia | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Üveg | 7 |
| Textolite | 7,5 |
| Polisztirol | 2,5 |
| Polivinil-klorid | 3 |
| Fluoroplasztikus | 2,1 |
| Amber | 2,7 |
Kondenzátor dielektromos állandója és kapacitása
Az ε értékének ismerete fontos a gyakorlatban, például az elektromos kondenzátorok tervezésénél. Az ő kapacitás a betétek geometriai méreteitől, a köztük lévő távolságtól és a dielektrikum dielektromos állandójától függ.
Ha kondenzátort akarsz készíteni egy kondenzátor Ha az elektródák nagyobb kapacitással rendelkeznek, akkor a burkolatok területének növelése növeli a méretet. Az elektródák közötti távolság csökkentésének gyakorlati korlátai is vannak. Ebben az esetben egy megnövelt dielektromos állandójú szigetelő használata segíthet. Ha nagyobb ε-vel rendelkező anyagot használnak, az elektródák mérete csökkenthető, vagy az elektródák közötti távolság növelhető anélkül, hogy az elektródák mérete csökkenne. elektromos kapacitás.
Az anyagok egy külön kategóriáját ferroelektrikának nevezik, amelyek bizonyos körülmények között spontán polarizációra képesek. A vizsgált területen két dolog jellemzi őket:
- nagy dielektromos permittivitás értékek (a tipikus értékek százaktól több ezerig terjednek);
- a dielektromos permittivitás értékének szabályozhatósága a külső elektromos tér változtatásával.
Ezeket a tulajdonságokat arra használják, hogy nagy kapacitású kondenzátorokat készítsenek (a szigetelő dielektromos állandójának növelésével) kis méretek mellett.
Ezek az eszközök csak alacsony frekvenciájú váltakozó áramú áramkörökben működnek - a frekvencia növekedésével dielektromos állandójuk csökken. A ferroelektrikumok másik alkalmazása a változtatható kondenzátorok, amelyek jellemzői változó paraméterekkel alkalmazott elektromos tér hatására változnak.
Dielektromos permittivitás és dielektromos veszteségek
A dielektromos veszteségek, vagyis az energiának az a része, amely a dielektrikumban hő formájában elvész, szintén a dielektromos állandó függvénye. A tg δ paramétert, a dielektromos veszteség szögének érintőjét, általában e veszteségek leírására használják. A dielektromos veszteségek teljesítményét jellemzi egy olyan kondenzátorban, amelyben a dielektrikum olyan anyagból készült, amelynek tg δ áll rendelkezésre. Az egyes anyagok fajlagos teljesítményveszteségét pedig a p=E képlet határozza meg.2*ώ*ε*ε*tg δ, ahol
- p a fajlagos veszteségteljesítmény, W;
- ώ=2*π*f - az elektromos tér körfrekvenciája;
- E - elektromos térerősség, V/m.
Nyilvánvaló, hogy minél nagyobb a dielektromos áteresztőképesség, annál nagyobbak a veszteségek a dielektrikumban, ha a többi tényező nem változik.
A dielektromos permittivitás külső tényezőktől való függése
Meg kell jegyezni, hogy a dielektromos permittivitás értéke az elektromos mező frekvenciájától függ (ebben az esetben a csíkokra alkalmazott feszültség frekvenciájától). A frekvencia növekedésével az ε értéke sok anyag esetében csökken. Ez a hatás a poláris dielektrikumok esetében kifejezett. Ez a jelenség azzal magyarázható, hogy a töltéseknek (dipólusoknak) már nincs idejük követni a mezőt. Az ionos vagy elektronikus polarizációval jellemezhető anyagok esetében a dielektromos állandó frekvenciafüggése kicsi.
Ezért olyan fontos a kondenzátor dielektrikumának anyagválasztása. Ami alacsony frekvenciákon működik, nem feltétlenül eredményez jó szigetelést magas frekvenciákon. Gyakran előfordul, hogy nem poláris dielektrikumokat használnak szigetelőként magas frekvenciákon.
A dielektromos állandó a hőmérséklettől is függ, és anyagról anyagra változik. A nem poláris dielektrikumok esetében a hőmérséklet növekedésével csökken. Ebben az esetben az ilyen szigetelővel készült kondenzátorok esetében negatív hőmérsékleti együtthatóról (TKE) beszélünk. A kapacitás csökken a hőmérséklet növekedésével az ε-t követően. Más anyagokban az áteresztőképesség a hőmérséklet növekedésével nő, és pozitív TKE-vel rendelkező kondenzátorokat kaphatunk. Az ellentétes TKE-vel rendelkező kondenzátorok párosításával termosztálható kapacitást kapunk.
A különböző anyagok dielektromos állandójának megértése és ismerete gyakorlati szempontból fontos. A dielektromos állandó szintjének szabályozhatósága pedig további technikai perspektívákat biztosít.
Kapcsolódó cikkek:
