A töltések kölcsönhatásba lépnek egymással különböző médiában, különböző erőkkel, amelyeket a Coulomb-törvény határoz meg. Ezen közegek tulajdonságait a permittivitásnak nevezett mennyiség határozza meg.
Tartalom
Mi az a dielektromos állandó
Alapján Coulomb törvénye, két fixpontos töltés q1 és q2 vákuumban kölcsönhatásba lépnek egymással az F képlet által adott erővelosztály=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), ahol:
- Fosztály a Coulomb-erő, N;
- q1, q2 töltőmodulok, C;
- r a töltések közötti távolság, m;
- ε0 - elektromos állandó, 8,85 * 10-12 F/m (Farad per méter).
Ha a kölcsönhatás nem vákuumban megy végbe, a képlet egy másik mennyiséget tartalmaz, amely meghatározza az anyag hatását a Coulomb-erőre, és a Coulomb-törvény a következőképpen íródik le:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Ezt az értéket a görög ε (epszilon) betűvel jelöljük, dimenzió nélküli (nincs mértékegysége). A dielektromos permittivitás az anyagban lévő töltések kölcsönhatásának csillapítási együtthatója.
A fizikában gyakran a permittivitást az elektromos állandóval együtt használják, ebben az esetben célszerű bevezetni az abszolút permittivitás fogalmát. ε-vel jelöljüka és egyenlő ε-vela= ε*e. Ebben az esetben az abszolút permeabilitás F/m méretű. Az ε közönséges permeabilitást relatívnak is nevezik, hogy megkülönböztessük ε-tőla.
A permittivitás természete
A permittivitás természete az elektromos tér hatására bekövetkező polarizáció jelenségén alapul. A legtöbb anyag általában elektromosan semleges, bár tartalmaznak töltött részecskéket. Ezek a részecskék véletlenszerűen helyezkednek el az anyag tömegében, és elektromos mezőik átlagosan semlegesítik egymást.
A dielektrikumokban főleg kötött töltések vannak (ezeket dipólusoknak nevezzük). Ezek a dipólusok hagyományosan két különböző részecske kötegét képviselik, amelyek spontán módon orientálódnak a dielektrikum vastagsága mentén, és átlagosan nulla elektromos térerősséget hoznak létre. Külső tér hatására a dipólusok hajlamosak az alkalmazott erőnek megfelelően orientálódni. Ennek eredményeként további elektromos mező jön létre. Hasonló jelenségek a nem poláris dielektrikumokban is előfordulnak.
A vezetőkben a folyamatok hasonlóak, csak vannak szabad töltések, amelyek egy külső tér hatására szétválnak, és saját elektromos teret is létrehoznak. Ez a mező a külső felé irányul, kiszűri a töltéseket és csökkenti kölcsönhatásuk erősségét.Minél nagyobb egy anyag polarizációs képessége, annál nagyobb az ε.
Különféle anyagok dielektromos állandója
A különböző anyagok különböző dielektromos állandókkal rendelkeznek. Némelyikük ε értékét az 1. táblázat tartalmazza. Nyilvánvaló, hogy ezek az értékek nagyobbak, mint az egység, így a töltések kölcsönhatása a vákuummal összehasonlítva mindig csökken. Azt is meg kell jegyezni, hogy levegő esetén ε valamivel több, mint egység, így a levegőben lévő töltések kölcsönhatása gyakorlatilag nem különbözik a vákuum kölcsönhatásától.
1. táblázat: Elektromos permeabilitás értékei különböző anyagoknál.
| Anyag | A dielektromos állandó |
|---|---|
| Bakelit | 4,5 |
| Papír | 2,0..3,5 |
| Víz | 81 (+20 C fokon) |
| Levegő | 1,0002 |
| Germánium | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Faipari | 2.7..7.5 (különböző fokozatok) |
| Rádiótechnikai kerámia | 10..200 |
| Csillámpala | 5,7..11,5 |
| Üveg | 7 |
| Textolit | 7,5 |
| Polisztirol | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluoroplaszt | 2,1 |
| Borostyán | 2,7 |
A kondenzátor dielektromos állandója és kapacitása
Az ε értékének ismerete a gyakorlatban fontos, például elektromos kondenzátorok létrehozásakor. Őket kapacitás függ a lemezek geometriai méreteitől, a köztük lévő távolságtól és a dielektrikum permittivitásától.
Ha meg kell szereznie kondenzátor megnövekedett kapacitás, akkor a lemezek területének növekedése a méretek növekedéséhez vezet. Az elektródák közötti távolság csökkentésének gyakorlati korlátai is vannak. Ebben az esetben egy megnövelt dielektromos állandójú szigetelő használata segíthet. Ha nagyobb ε értékű anyagot használ, akkor veszteség nélkül többszörösére csökkentheti a lemezek méretét vagy növelheti a köztük lévő távolságot elektromos kapacitás.
Külön kategóriába sorolják a ferroelektromosnak nevezett anyagokat, amelyekben bizonyos körülmények között spontán polarizáció lép fel.A vizsgált területen két pont jellemzi őket:
- a dielektromos permittivitás nagy értékei (tipikus értékek - száztól több ezerig);
- a dielektromos állandó értékének szabályozása a külső elektromos tér megváltoztatásával.
Ezeket a tulajdonságokat nagy kapacitású kondenzátorok gyártásához használják (a szigetelő dielektromos állandójának megnövekedett értéke miatt), kis tömeg- és méretmutatókkal.
Az ilyen eszközök csak alacsony frekvenciájú váltóáramú áramkörökben működnek - a frekvencia növekedésével a dielektromos állandójuk csökken. A ferroelektrikum másik alkalmazási területe a változtatható kondenzátorok, amelyek karakterisztikája változó paraméterekkel alkalmazott elektromos tér hatására változik.
Dielektromos állandó és dielektromos veszteségek
Ezenkívül a dielektrikum veszteségei a dielektromos állandó értékétől függenek - ez az energia azon része, amely a dielektrikumban elveszik annak felmelegítéséhez. E veszteségek leírására általában a tan δ paramétert használják - a dielektromos veszteségszög tangensét. A dielektromos veszteségek teljesítményét jellemzi egy olyan kondenzátorban, amelyben a dielektrikum rendelkezésre álló tg δ anyagból készül. Az egyes anyagok fajlagos teljesítményveszteségét pedig a p=E képlet határozza meg2*ώ*ε*ε*tg δ, ahol:
- p a fajlagos teljesítményveszteség, W;
- ώ=2*π*f az elektromos tér körfrekvenciája;
- E az elektromos térerősség, V/m.
Nyilvánvaló, hogy minél nagyobb a dielektromos állandó, annál nagyobb a veszteség a dielektrikumban, minden más tényező változatlansága mellett.
A permittivitás külső tényezőktől való függése
Megjegyzendő, hogy a permittivitás értéke függ az elektromos tér frekvenciájától (jelen esetben a lemezekre adott feszültség frekvenciájától). A gyakoriság növekedésével sok anyag esetében csökken az ε értéke. Ez a hatás a poláris dielektrikumok esetében kifejezett. Ez a jelenség azzal magyarázható, hogy a töltéseknek (dipólusoknak) nincs ideje követni a mezőt. Azoknál az anyagoknál, amelyeket ionos vagy elektronikus polarizáció jellemez, a permittivitás frekvenciától való függése kicsi.
Ezért nagyon fontos a kondenzátor dielektrikum készítéséhez szükséges anyagok kiválasztása. Ami alacsony frekvencián működik, az nem feltétlenül biztosít jó szigetelést magas frekvencián. Leggyakrabban a nem poláris dielektrikumokat használják szigetelőként a HF-en.
Ezenkívül a dielektromos állandó függ a hőmérséklettől, és különböző anyagokban különböző módon. A nem poláris dielektrikumok esetében a hőmérséklet emelkedésével csökken. Ebben az esetben az ilyen szigetelővel készült kondenzátorok negatív hőmérsékleti kapacitási együtthatóról (TKE) beszélnek - kapacitás csökken a hőmérséklet növekedésével ε után. Más anyagok esetében a permeabilitás a hőmérséklet emelkedésével nő, és pozitív TKE-vel rendelkező kondenzátorok nyerhetők. Ellentétes TKE-vel rendelkező kondenzátorok párba foglalásával termikusan stabil kapacitást kaphat.
Gyakorlati szempontból fontos a különböző anyagok áteresztőképességének lényegének megértése és ismerete. A dielektromos állandó szintjének szabályozási képessége pedig további technikai perspektívákat kínál.
Hasonló cikkek:
