Naboji medsebojno delujejo v različnih medijih z različnimi silami, ki jih določa Coulombov zakon. Lastnosti teh medijev določa količina, imenovana prepustnost.
Vsebina
Kaj je dielektrična konstanta
Po navedbah Coulombov zakon, dva naboja s fiksno točko q1 in q2 v vakuumu medsebojno delujejo s silo, ki jo daje formula Frazred=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), kje:
- Frazred je Coulombova sila, N;
- q1, q2 so polnilni moduli, C;
- r je razdalja med naboji, m;
- ε0 - električna konstanta, 8,85 * 10-12 F/m (farad na meter).
Če interakcija ne poteka v vakuumu, formula vključuje drugo količino, ki določa vpliv snovi na Coulombovo silo, in Coulombov zakon je zapisan takole:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Ta vrednost je označena z grško črko ε (epsilon), je brezdimenzionalna (nima merske enote). Dielektrična prepustnost je koeficient slabljenja interakcije nabojev v snovi.
V fiziki se prepustnost pogosto uporablja v povezavi z električno konstanto, v tem primeru je priročno uvesti koncept absolutne prepustnosti. Označena je z εa in je enak εa= ε*e. V tem primeru ima absolutna prepustnost dimenzijo F/m. Običajna prepustnost ε se imenuje tudi relativna, da jo razlikujemo od εa.
Narava prepustnosti
Narava prepustnosti temelji na pojavu polarizacije pod delovanjem električnega polja. Večina snovi je na splošno električno nevtralnih, čeprav vsebujejo nabite delce. Ti delci se nahajajo naključno v masi snovi in njihova električna polja se v povprečju nevtralizirajo.
V dielektrikih so večinoma vezani naboji (imenovani so dipoli). Ti dipoli običajno predstavljajo snope dveh različnih delcev, ki sta spontano orientirana vzdolž debeline dielektrika in v povprečju ustvarjata ničelno jakost električnega polja. Pod delovanjem zunanjega polja se dipoli nagibajo k orientaciji glede na uporabljeno silo. Posledično se ustvari dodatno električno polje. Podobni pojavi se pojavljajo tudi v nepolarnih dielektrikih.
V prevodnikih so procesi podobni, le obstajajo prosti naboji, ki se pod vplivom zunanjega polja ločijo in ustvarjajo tudi svoje električno polje. To polje je usmerjeno proti zunanjemu, ščiti naboje in zmanjšuje moč njihove interakcije.Večja kot je sposobnost polarizacije snovi, višji je ε.
Dielektrična konstanta različnih snovi
Različne snovi imajo različne dielektrične konstante. Vrednost ε za nekatere od njih je podana v tabeli 1. Očitno je, da so te vrednosti večje od enote, zato se interakcija nabojev v primerjavi z vakuumom vedno zmanjša. Opozoriti je treba tudi, da je za zrak ε nekoliko več kot enota, zato se interakcija nabojev v zraku praktično ne razlikuje od interakcije v vakuumu.
Tabela 1. Vrednosti električne prepustnosti za različne snovi.
| Snov | Dielektrična konstanta |
|---|---|
| Bakelit | 4,5 |
| Papir | 2,0..3,5 |
| Voda | 81 (pri +20 stopinj C) |
| Zrak | 1,0002 |
| germanij | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Les | 2.7..7.5 (različne ocene) |
| Radiotehnična keramika | 10..200 |
| Sljuda | 5,7..11,5 |
| Steklo | 7 |
| Tekstolit | 7,5 |
| polistiren | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluoroplast | 2,1 |
| Jantar | 2,7 |
Dielektrična konstanta in kapacitivnost kondenzatorja
Poznavanje vrednosti ε je pomembno v praksi, na primer pri ustvarjanju električnih kondenzatorjev. Njim zmogljivost odvisno od geometrijskih dimenzij plošč, razdalje med njimi in prepustnosti dielektrika.
Če morate dobiti kondenzator povečana zmogljivost, nato povečanje površine plošč vodi do povečanja dimenzij. Obstajajo tudi praktične omejitve za zmanjšanje razdalje med elektrodama. V tem primeru lahko pomaga uporaba izolatorja s povečano dielektrično konstanto. Če uporabljate material z višjim ε, lahko pomnožite velikost plošč ali povečate razdaljo med njimi brez izgube električna zmogljivost.
V ločeno kategorijo ločimo snovi, imenovane feroelektriki, v katerih pod določenimi pogoji pride do spontane polarizacije.Na obravnavanem območju sta zanje značilni dve točki:
- velike vrednosti dielektrične prepustnosti (tipične vrednosti - od sto do nekaj tisoč);
- zmožnost nadzora vrednosti dielektrične konstante s spreminjanjem zunanjega električnega polja.
Te lastnosti se uporabljajo za izdelavo visoko zmogljivih kondenzatorjev (zaradi povečane vrednosti dielektrične konstante izolatorja) z majhnimi kazalniki teže in velikosti.
Takšne naprave delujejo samo v nizkofrekvenčnih vezjih izmeničnega toka - ko se frekvenca poveča, se njihova dielektrična konstanta zmanjša. Druga uporaba feroelektrikov so spremenljivi kondenzatorji, katerih lastnosti se spreminjajo pod vplivom uporabljenega električnega polja z različnimi parametri.
Dielektrična konstanta in dielektrične izgube
Tudi izgube v dielektriku so odvisne od vrednosti dielektrične konstante – to je del energije, ki se v dielektriku izgubi za njegovo segrevanje. Za opis teh izgub se običajno uporablja parameter tan δ - tangent kota dielektrične izgube. Karakterizira moč dielektričnih izgub v kondenzatorju, pri katerem je dielektrik izdelan iz materiala z razpoložljivim tg δ. In specifična izguba moči za vsako snov je določena s formulo p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, kjer:
- p je specifična izguba moči, W;
- ώ=2*π*f je krožna frekvenca električnega polja;
- E je jakost električnega polja, V/m.
Očitno je, da višja kot je dielektrična konstanta, večje so izgube v dielektriku, če so vse ostale enake.
Odvisnost prepustnosti od zunanjih dejavnikov
Upoštevati je treba, da je vrednost prepustnosti odvisna od frekvence električnega polja (v tem primeru od frekvence napetosti, ki se nanaša na plošče). Ko se frekvenca poveča, se vrednost ε za številne snovi zmanjša. Ta učinek je izrazit pri polarnih dielektrikih. Ta pojav je mogoče razložiti z dejstvom, da naboji (dipoli) prenehajo imeti čas, da sledijo polju. Za snovi, za katere je značilna ionska ali elektronska polarizacija, je odvisnost prepustnosti od frekvence majhna.
Zato je izbira materialov za izdelavo kondenzatorskega dielektrika tako pomembna. Kar deluje pri nizkih frekvencah, ne bo nujno zagotovilo dobre izolacije pri visokih frekvencah. Najpogosteje se kot izolator pri HF uporabljajo nepolarni dielektriki.
Tudi dielektrična konstanta je odvisna od temperature in v različnih snoveh na različne načine. Pri nepolarnih dielektrikih se z naraščanjem temperature zmanjšuje. V tem primeru za kondenzatorje, izdelane z uporabo takšnega izolatorja, govorijo o negativnem temperaturnem koeficientu kapacitivnosti (TKE) - zmogljivost pada z naraščanjem temperature po ε. Pri drugih snoveh se prepustnost povečuje z naraščanjem temperature in lahko dobimo kondenzatorje s pozitivnim TKE. Če v par vključite kondenzatorje z nasprotnim TKE, lahko dobite toplotno stabilno kapacitivnost.
Razumevanje bistva in poznavanje vrednosti prepustnosti različnih snovi je pomembno za praktične namene. In zmožnost nadzora ravni dielektrične konstante zagotavlja dodatne tehnične perspektive.
Podobni članki:
