Náboje na seba vzájomne pôsobia v rôznych médiách rôznymi silami, určenými Coulombovým zákonom. Vlastnosti týchto médií určuje veličina nazývaná permitivita.
Obsah
Čo je dielektrická konštanta
Podľa Coulombov zákon, dva pevné bodové poplatky q1 a q2 vo vákuu na seba vzájomne pôsobia silou danou vzorcom Ftrieda=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), kde:
- Ftrieda je Coulombova sila, N;
- q1, q2 sú nabíjacie moduly, C;
- r je vzdialenosť medzi nábojmi, m;
- ε0 - elektrická konštanta, 8,85 * 10-12 F/m (Farad na meter).
Ak interakcia neprebieha vo vákuu, vzorec obsahuje inú veličinu, ktorá určuje vplyv hmoty na Coulombovu silu a Coulombov zákon je napísaný takto:
F=((1/4)*π* ε* ε)* (|q1|*|q2|/r2).
Táto hodnota sa označuje gréckym písmenom ε (epsilon), je bezrozmerná (nemá mernú jednotku). Dielektrická permitivita je koeficient útlmu interakcie nábojov v látke.
Vo fyzike sa permitivita často používa v spojení s elektrickou konštantou, v takom prípade je vhodné zaviesť pojem absolútnej permitivity. Označuje sa εa a rovná sa εa= ε*e. V tomto prípade má absolútna priepustnosť rozmer F/m. Obyčajná permeabilita ε sa tiež nazýva relatívna, aby sa odlíšila od εa.
Povaha permitivity
Povaha permitivity je založená na fenoméne polarizácie pri pôsobení elektrického poľa. Väčšina látok je vo všeobecnosti elektricky neutrálna, hoci obsahujú nabité častice. Tieto častice sa v hmote nachádzajú náhodne a ich elektrické polia sa v priemere navzájom neutralizujú.
V dielektrikách sú hlavne viazané náboje (nazývajú sa dipóly). Tieto dipóly bežne predstavujú zväzky dvoch rozdielnych častíc, ktoré sú spontánne orientované pozdĺž hrúbky dielektrika a v priemere vytvárajú nulovú intenzitu elektrického poľa. Pri pôsobení vonkajšieho poľa majú dipóly tendenciu orientovať sa podľa pôsobiacej sily. V dôsledku toho sa vytvorí dodatočné elektrické pole. Podobné javy sa vyskytujú aj v nepolárnych dielektrikách.
Vo vodičoch sú procesy podobné, len existujú voľné náboje, ktoré sa pôsobením vonkajšieho poľa oddeľujú a vytvárajú aj vlastné elektrické pole. Toto pole smeruje k vonkajšiemu, cloní náboje a znižuje silu ich interakcie.Čím väčšia je schopnosť látky polarizovať, tým vyššie je ε.
Dielektrická konštanta rôznych látok
Rôzne látky majú rôzne dielektrické konštanty. Hodnota ε pre niektoré z nich je uvedená v tabuľke 1. Je zrejmé, že tieto hodnoty sú väčšie ako jednota, takže interakcia nábojov v porovnaní s vákuom vždy klesá. Treba tiež poznamenať, že pre vzduch je ε o niečo viac ako jednota, takže interakcia nábojov vo vzduchu sa prakticky nelíši od interakcie vo vákuu.
Tabuľka 1. Hodnoty elektrickej permeability pre rôzne látky.
| Látka | Dielektrická konštanta |
|---|---|
| Bakelit | 4,5 |
| Papier | 2,0..3,5 |
| Voda | 81 (pri +20 stupňoch C) |
| Vzduch | 1,0002 |
| Germánium | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Drevo | 2.7..7.5 (rôzne stupne) |
| Rádiotechnická keramika | 10..200 |
| Sľuda | 5,7..11,5 |
| sklo | 7 |
| Textolit | 7,5 |
| Polystyrén | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluoroplast | 2,1 |
| Amber | 2,7 |
Dielektrická konštanta a kapacita kondenzátora
Poznanie hodnoty ε je v praxi dôležité napríklad pri vytváraní elektrických kondenzátorov. ich kapacita závisí od geometrických rozmerov dosiek, vzdialenosti medzi nimi a permitivity dielektrika.
Ak potrebujete získať kondenzátor zvýšená kapacita, potom zväčšenie plochy dosiek vedie k zväčšeniu rozmerov. Existujú aj praktické limity na zníženie vzdialenosti medzi elektródami. V tomto prípade môže pomôcť použitie izolátora so zvýšenou dielektrickou konštantou. Ak použijete materiál s vyšším ε, môžete násobne zmenšiť veľkosť dosiek alebo zväčšiť vzdialenosť medzi nimi bez straty elektrická kapacita.
Do samostatnej kategórie sa rozlišujú látky nazývané feroelektriká, pri ktorých za určitých podmienok dochádza k spontánnej polarizácii.V posudzovanej oblasti sa vyznačujú dvoma bodmi:
- veľké hodnoty dielektrickej permitivity (typické hodnoty - od stoviek do niekoľkých tisíc);
- schopnosť riadiť hodnotu dielektrickej konštanty zmenou vonkajšieho elektrického poľa.
Tieto vlastnosti sa využívajú na výrobu vysokokapacitných kondenzátorov (v dôsledku zvýšenej hodnoty dielektrickej konštanty izolátora) s malými indikátormi hmotnosti a veľkosti.
Takéto zariadenia pracujú iba v nízkofrekvenčných obvodoch striedavého prúdu - so zvyšujúcou sa frekvenciou sa znižuje ich dielektrická konštanta. Ďalšou aplikáciou feroelektriky sú variabilné kondenzátory, ktorých charakteristiky sa menia pod vplyvom aplikovaného elektrického poľa s rôznymi parametrami.
Dielektrická konštanta a dielektrické straty
Taktiež straty v dielektriku závisia od hodnoty dielektrickej konštanty - to je časť energie, ktorá sa stráca v dielektriku na jeho ohrev. Na popis týchto strát sa zvyčajne používa parameter tan δ - tangens uhla dielektrických strát. Charakterizuje silu dielektrických strát v kondenzátore, v ktorom je dielektrikum vyrobené z materiálu s dostupným tg δ. A špecifická strata výkonu pre každú látku je určená vzorcom p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, kde:
- p je špecifická strata výkonu, W;
- ώ=2*π*f je kruhová frekvencia elektrického poľa;
- E je intenzita elektrického poľa, V/m.
Je zrejmé, že čím vyššia je dielektrická konštanta, tým vyššie sú straty v dielektriku, pričom všetky ostatné veci sú rovnaké.
Závislosť permitivity od vonkajších faktorov
Je potrebné poznamenať, že hodnota permitivity závisí od frekvencie elektrického poľa (v tomto prípade od frekvencie napätia aplikovaného na dosky). So zvyšujúcou sa frekvenciou sa pre mnohé látky hodnota ε znižuje. Tento efekt je výrazný pre polárne dielektrika. Tento jav možno vysvetliť tým, že náboje (dipóly) prestávajú mať čas sledovať pole. Pre látky, ktoré sa vyznačujú iónovou alebo elektrónovou polarizáciou, je závislosť permitivity od frekvencie malá.
Preto je výber materiálov na výrobu dielektrika kondenzátora taký dôležitý. To, čo funguje pri nízkych frekvenciách, nemusí nevyhnutne poskytovať dobrú izoláciu pri vysokých frekvenciách. Najčastejšie sa ako izolant na HF používajú nepolárne dielektrika.
Dielektrická konštanta tiež závisí od teploty av rôznych látkach rôznymi spôsobmi. Pre nepolárne dielektrika klesá so zvyšujúcou sa teplotou. V tomto prípade pre kondenzátory vyrobené s použitím takéhoto izolátora hovoria o zápornom teplotnom koeficiente kapacity (TKE) - kapacita klesá so zvyšujúcou sa teplotou po ε. Pre ostatné látky sa priepustnosť zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou a možno získať kondenzátory s kladným TKE. Zaradením kondenzátorov s opačným TKE do páru môžete získať tepelne stabilnú kapacitu.
Pochopenie podstaty a znalosť hodnoty permitivity rôznych látok je dôležité pre praktické účely. A schopnosť kontrolovať úroveň dielektrickej konštanty poskytuje ďalšie technické perspektívy.
Podobné články:
