Varaukset ovat vuorovaikutuksessa keskenään eri medioissa eri voimilla, jotka määrätään Coulombin lain mukaan. Näiden väliaineiden ominaisuudet määräytyy suurella, jota kutsutaan permittiivisyydeksi.
Sisältö
Mikä on dielektrisyysvakio
Mukaan Coulombin laki, kaksi kiinteää pistemaksua q1 ja q2 tyhjiössä vuorovaikuttavat keskenään kaavan F antamalla voimallaluokkaa=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), missä:
- Fluokkaa on Coulombin voima, N;
- q1, q2 ovat latausmoduuleja, C;
- r on varausten välinen etäisyys, m;
- ε0 - sähkövakio, 8,85 * 10-12 F/m (Farad per metri).
Jos vuorovaikutus ei tapahdu tyhjiössä, kaava sisältää toisen suuren, joka määrittää aineen vaikutuksen Coulombin voimaan, ja Coulombin laki kirjoitetaan seuraavasti:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Tämä arvo on merkitty kreikkalaisella kirjaimella ε (epsilon), se on dimensio (ei mittayksikköä). Dielektrinen permittiivisyys on aineen varausten vuorovaikutuksen vaimennuskerroin.
Usein fysiikassa permittiivisyyttä käytetään yhdessä sähkövakion kanssa, jolloin on tarkoituksenmukaista ottaa käyttöön absoluuttisen permittiivisyyden käsite. Sitä merkitään ε:lläa ja on yhtä suuri kuin εa= ε*e. Tässä tapauksessa absoluuttisen läpäisevyyden mitta on F/m. Tavallista permeabiliteettia ε kutsutaan myös suhteelliseksi sen erottamiseksi ε:stäa.
Permittiivisuuden luonne
Permittiivisuuden luonne perustuu polarisaatioilmiöön sähkökentän vaikutuksesta. Useimmat aineet ovat yleensä sähköisesti neutraaleja, vaikka ne sisältävät varautuneita hiukkasia. Nämä hiukkaset sijaitsevat satunnaisesti ainemassassa ja niiden sähkökentät keskimäärin neutraloivat toisiaan.
Dielektrikissä on pääasiassa sidottuja varauksia (niitä kutsutaan dipoleiksi). Nämä dipolit edustavat tavanomaisesti kahden erilaisen hiukkasen nippuja, jotka ovat spontaanisti orientoituneita pitkin eristeen paksuutta ja luovat keskimäärin nollasähkökentän voimakkuuden. Ulkoisen kentän vaikutuksesta dipolit pyrkivät orientoitumaan kohdistetun voiman mukaan. Tämän seurauksena syntyy ylimääräinen sähkökenttä. Samanlaisia ilmiöitä esiintyy myös ei-polaarisissa dielektrikoissa.
Johtimissa prosessit ovat samanlaisia, vain on vapaita varauksia, jotka erottuvat ulkoisen kentän vaikutuksesta ja luovat myös oman sähkökentän. Tämä kenttä on suunnattu ulkoiseen, seuloi varaukset ja vähentää niiden vuorovaikutuksen voimakkuutta.Mitä suurempi aineen polarisaatiokyky on, sitä suurempi ε.
Erilaisten aineiden dielektrisyysvakio
Eri aineilla on erilaiset dielektriset vakiot. Joidenkin niistä ε:n arvo on annettu taulukossa 1. On selvää, että nämä arvot ovat suurempia kuin yksikkö, joten varausten vuorovaikutus alipaineeseen verrattuna aina pienenee. On myös huomattava, että ilmalla ε on hieman enemmän kuin yksikkö, joten varausten vuorovaikutus ilmassa ei käytännössä poikkea vuorovaikutuksesta tyhjiössä.
Taulukko 1. Eri aineiden sähköisen läpäisevyyden arvot.
| Aine | Dielektrisyysvakio |
|---|---|
| Bakeliitti | 4,5 |
| Paperi | 2,0..3,5 |
| Vesi | 81 (+20 astetta C) |
| ilmaa | 1,0002 |
| germaaniumia | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Puu | 2.7..7.5 (eri arvosanat) |
| Radiotekniikan keramiikka | 10..200 |
| Kiille | 5,7..11,5 |
| Lasi | 7 |
| Tekstioliitti | 7,5 |
| Polystyreeni | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluoroplast | 2,1 |
| Keltainen | 2,7 |
Kondensaattorin dielektrisyysvakio ja kapasitanssi
ε:n arvon tunteminen on käytännössä tärkeää esimerkiksi sähkökondensaattoreita luotaessa. Niitä kapasiteettia riippuu levyjen geometrisista mitoista, niiden välisestä etäisyydestä ja eristeen permittiivisyydestä.
Jos on pakko saada kondensaattori lisääntynyt kapasiteetti, sitten levyjen pinta-alan kasvu johtaa mittojen kasvuun. Elektrodien välisen etäisyyden pienentämisessä on myös käytännön rajoituksia. Tässä tapauksessa eristimen käyttö, jonka dielektrisyysvakio on suurempi, voi auttaa. Jos käytät materiaalia, jonka ε on suurempi, voit moninkertaistaa levyjen koon tai kasvattaa niiden välistä etäisyyttä ilman häviötä sähköinen kapasiteetti.
Ferrosähköisiksi kutsutut aineet jaetaan omaan kategoriaan, jossa tietyissä olosuhteissa tapahtuu spontaania polarisaatiota.Tarkasteltavana olevalla alueella niille on ominaista kaksi seikkaa:
- suuret dielektrisen permittiivisyyden arvot (tyypilliset arvot - sadasta useisiin tuhansiin);
- kyky säätää dielektrisyysvakion arvoa muuttamalla ulkoista sähkökenttää.
Näitä ominaisuuksia käytetään suurikapasiteettisten kondensaattoreiden valmistukseen (johtuen eristimen dielektrisyysvakion lisääntyneestä arvosta) pienillä paino- ja kokoindikaattoreilla.
Tällaiset laitteet toimivat vain matalataajuisissa vaihtovirtapiireissä - taajuuden kasvaessa niiden dielektrisyysvakio pienenee. Toinen ferrosähköisyyden sovelluskohde ovat muuttuvat kondensaattorit, joiden ominaisuudet muuttuvat käytetyn sähkökentän vaikutuksesta vaihtelevilla parametreilla.
Dielektrinen vakio ja dielektriset häviöt
Myös häviöt eristeessä riippuvat dielektrisyysvakion arvosta - tämä on se osa energiasta, joka häviää eristeessä sen lämmittämiseksi. Näiden häviöiden kuvaamiseen käytetään yleensä parametria tan δ - dielektrisen häviökulman tangenttia. Se kuvaa dielektristen häviöiden tehoa kondensaattorissa, jossa eriste on valmistettu materiaalista, jonka käytettävissä oleva tg δ. Ja kunkin aineen ominaistehohäviö määritetään kaavalla p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, jossa:
- p on ominaistehohäviö, W;
- ώ=2*π*f on sähkökentän ympyrätaajuus;
- E on sähkökentän voimakkuus, V/m.
Ilmeisesti mitä suurempi dielektrisyysvakio, sitä suuremmat häviöt eristeessä ovat kaikkien muiden asioiden ollessa samat.
Permittiivisuuden riippuvuus ulkoisista tekijöistä
On huomattava, että permittiivisyyden arvo riippuu sähkökentän taajuudesta (tässä tapauksessa levyihin syötetyn jännitteen taajuudesta). Taajuuden kasvaessa ε:n arvo pienenee monille aineille. Tämä vaikutus on voimakas polaarisilla dielektrikoilla. Tämä ilmiö voidaan selittää sillä, että varaukset (dipolit) eivät enää ehdi seuraamaan kenttää. Aineilla, joille on tunnusomaista ioninen tai elektroninen polarisaatio, permittiivisyyden riippuvuus taajuudesta on pieni.
Siksi materiaalien valinta kondensaattorin eristettä varten on niin tärkeä. Se, mikä toimii matalilla taajuuksilla, ei välttämättä tarjoa hyvää eristystä korkeilla taajuuksilla. Useimmiten ei-polaarisia eristeitä käytetään eristimenä HF:ssä.
Myös dielektrisyysvakio riippuu lämpötilasta ja eri aineissa eri tavoin. Ei-polaaristen eristeiden osalta se pienenee lämpötilan noustessa. Tässä tapauksessa tällaisella eristeellä valmistetuissa kondensaattoreissa he puhuvat negatiivisesta kapasitanssin lämpötilakertoimesta (TKE) - kapasiteettia pienenee lämpötilan noustessa ε:n jälkeen. Muilla aineilla läpäisevyys kasvaa lämpötilan noustessa ja kondensaattoreita, joilla on positiivinen TKE, voidaan saada. Sisällyttämällä pariksi kondensaattoreita, joissa on vastakkainen TKE, saat lämpöstabiilin kapasitanssin.
Käytännön kannalta on tärkeää ymmärtää eri aineiden permittiivisyyden olemus ja arvo. Ja kyky hallita dielektrisyysvakiotasoa tarjoaa lisää teknisiä näkökulmia.
Samanlaisia artikkeleita:
