Ladingen interageren met elkaar in verschillende media met verschillende krachten, bepaald door de wet van Coulomb. De eigenschappen van deze media worden bepaald door een hoeveelheid die de permittiviteit wordt genoemd.
Inhoud
Wat is diëlektrische constante?
Volgens Wet van Coulomb, twee vaste puntladingen q1 en q2 in vacuüm interageren met elkaar met de kracht gegeven door de formule Fklas=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), waar:
- Fklas is de Coulomb-kracht, N;
- q1, q2 zijn laadmodules, C;
- r is de afstand tussen ladingen, m;
- 0 - elektrische constante, 8,85 * 10-12 F/m (Farad per meter).
Als de interactie niet in een vacuüm plaatsvindt, bevat de formule een andere grootheid die de invloed van materie op de Coulomb-kracht bepaalt, en de Coulomb-wet wordt als volgt geschreven:
F=((1/4)*π** ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Deze waarde wordt aangegeven met de Griekse letter ε (epsilon), het is dimensieloos (heeft geen meeteenheid). Diëlektrische permittiviteit is de verzwakkingscoëfficiënt van de interactie van ladingen in een stof.
Vaak wordt in de natuurkunde de permittiviteit gebruikt in combinatie met de elektrische constante, in welk geval het handig is om het concept van absolute permittiviteit te introduceren. Het wordt aangeduid met εa en is gelijk aan εa=*e. In dit geval heeft de absolute doorlaatbaarheid de afmeting F/m. Gewone permeabiliteit ε wordt ook wel relatief genoemd om het te onderscheiden van εa.
De aard van de permittiviteit
De aard van de permittiviteit is gebaseerd op het fenomeen van polarisatie onder invloed van een elektrisch veld. De meeste stoffen zijn over het algemeen elektrisch neutraal, hoewel ze geladen deeltjes bevatten. Deze deeltjes bevinden zich willekeurig in de massa van materie en hun elektrische velden neutraliseren elkaar gemiddeld.
In diëlektrica zijn er voornamelijk gebonden ladingen (ze worden dipolen genoemd). Deze dipolen vertegenwoordigen conventioneel bundels van twee ongelijksoortige deeltjes, die spontaan langs de dikte van het diëlektricum zijn georiënteerd en, gemiddeld, een elektrische veldsterkte van nul creëren. Onder invloed van een extern veld hebben de dipolen de neiging zich te oriënteren volgens de uitgeoefende kracht. Hierdoor ontstaat er een extra elektrisch veld. Soortgelijke verschijnselen treden ook op in niet-polaire diëlektrica.
In geleiders zijn de processen vergelijkbaar, alleen zijn er gratis ladingen, die worden gescheiden onder invloed van een extern veld en ook hun eigen elektrisch veld creëren. Dit veld is gericht op de externe, schermt de ladingen af en vermindert de kracht van hun interactie.Hoe groter het vermogen van een stof om te polariseren, hoe hoger ε.
Diëlektrische constante van verschillende stoffen
Verschillende stoffen hebben verschillende diëlektrische constanten. De waarde van ε voor sommige ervan wordt gegeven in Tabel 1. Het is duidelijk dat deze waarden groter zijn dan één, dus de interactie van ladingen, in vergelijking met vacuüm, neemt altijd af. Er moet ook worden opgemerkt dat voor lucht ε iets meer is dan één, dus de interactie van ladingen in lucht verschilt praktisch niet van de interactie in vacuüm.
Tabel 1. Waarden van elektrische permeabiliteit voor verschillende stoffen.
| Substantie | De diëlektrische constante |
|---|---|
| bakeliet | 4,5 |
| Papier | 2,0..3,5 |
| Water | 81 (bij +20 graden C) |
| Lucht | 1,0002 |
| Germanium | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Hout | 2.7..7.5 (verschillende gradaties) |
| Radiotechniek keramiek | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Glas | 7 |
| Textoliet | 7,5 |
| Polystyreen | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluorplast | 2,1 |
| Amber | 2,7 |
Diëlektrische constante en capaciteit van de condensator:
Het kennen van de waarde van ε is in de praktijk belangrijk, bijvoorbeeld bij het maken van elektrische condensatoren. Hen capaciteit hangt af van de geometrische afmetingen van de platen, de afstand ertussen en de permittiviteit van het diëlektricum.
Als je moet krijgen condensator verhoogde capaciteit, dan leidt een toename van het oppervlak van de platen tot een toename van de afmetingen. Er zijn ook praktische grenzen aan het verkleinen van de afstand tussen de elektroden. In dit geval kan het gebruik van een isolator met verhoogde diëlektrische constante helpen. Als u een materiaal met een hogere ε gebruikt, kunt u de platen vermenigvuldigen of de afstand tussen de platen vergroten zonder verlies elektrisch vermogen:.
Stoffen die ferro-elektriciteit worden genoemd, worden onderscheiden in een aparte categorie, waarin onder bepaalde omstandigheden spontane polarisatie optreedt.In het beschouwde gebied worden ze gekenmerkt door twee punten:
- grote waarden van diëlektrische permittiviteit (typische waarden - van honderden tot enkele duizenden);
- het vermogen om de waarde van de diëlektrische constante te regelen door het externe elektrische veld te veranderen.
Deze eigenschappen worden gebruikt voor de vervaardiging van condensatoren met hoge capaciteit (vanwege de verhoogde waarde van de diëlektrische constante van de isolator) met kleine gewichts- en grootte-indicatoren.
Dergelijke apparaten werken alleen in laagfrequente wisselstroomcircuits - naarmate de frequentie toeneemt, neemt hun diëlektrische constante af. Een andere toepassing van ferro-elektriciteit zijn variabele condensatoren, waarvan de eigenschappen veranderen onder invloed van een aangelegd elektrisch veld met variërende parameters.
Diëlektrische constante en diëlektrische verliezen
Ook zijn verliezen in het diëlektricum afhankelijk van de waarde van de diëlektrische constante - dit is het deel van de energie dat verloren gaat in het diëlektricum om het te verwarmen. Om deze verliezen te beschrijven, wordt meestal de parameter tan δ gebruikt - de tangens van de diëlektrische verlieshoek. Het kenmerkt de kracht van diëlektrische verliezen in een condensator, waarbij het diëlektricum is gemaakt van een materiaal met een beschikbare tg . En het specifieke vermogensverlies voor elke stof wordt bepaald door de formule p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, waar:
- p is het specifieke vermogensverlies, W;
- ώ=2*π*f is de cirkelfrequentie van het elektrische veld;
- E is de elektrische veldsterkte, V/m.
Het is duidelijk dat hoe hoger de diëlektrische constante, hoe groter de verliezen in het diëlektricum, terwijl alle andere dingen gelijk blijven.
Afhankelijkheid van de permittiviteit van externe factoren
Opgemerkt moet worden dat de waarde van de permittiviteit afhangt van de frequentie van het elektrische veld (in dit geval van de frequentie van de spanning die op de platen wordt toegepast). Naarmate de frequentie toeneemt, neemt de waarde van ε voor veel stoffen af. Dit effect is uitgesproken voor polaire diëlektrica. Dit fenomeen kan worden verklaard door het feit dat de ladingen (dipolen) geen tijd meer hebben om het veld te volgen. Voor stoffen die worden gekenmerkt door ionische of elektronische polarisatie, is de afhankelijkheid van de permittiviteit van de frequentie klein.
Daarom is de selectie van materialen voor het maken van een diëlektricum voor een condensator zo belangrijk. Wat werkt bij lage frequenties, zal niet noodzakelijkerwijs een goede isolatie bieden bij hoge frequenties. Meestal worden niet-polaire diëlektrica gebruikt als isolator bij HF.
Ook is de diëlektrische constante afhankelijk van de temperatuur en in verschillende stoffen op verschillende manieren. Voor niet-polaire diëlektrica neemt het af met toenemende temperatuur. In dit geval spreken ze voor condensatoren die met een dergelijke isolator zijn gemaakt van een negatieve temperatuurcoëfficiënt van capaciteit (TKE) - capaciteit neemt af met toenemende temperatuur na ε. Voor andere stoffen neemt de permeabiliteit toe met toenemende temperatuur en kunnen condensatoren met een positieve TKE worden verkregen. Door condensatoren met tegengestelde TKE in een paar op te nemen, kunt u een thermisch stabiele capaciteit krijgen.
Het begrijpen van de essentie en kennis van de waarde van de permittiviteit van verschillende stoffen is belangrijk voor praktische doeleinden. En de mogelijkheid om het niveau van de diëlektrische constante te regelen, biedt extra technische perspectieven.
Vergelijkbare artikelen:
