Náboje na sebe vzájemně působí v různých médiích různými silami, určenými Coulombovým zákonem. Vlastnosti těchto médií jsou určeny veličinou zvanou permitivita.
Obsah
Co je dielektrická konstanta
Podle Coulombův zákon, dva pevné bodové poplatky q1 a q2 ve vakuu na sebe vzájemně působí silou danou vzorcem Ftřída=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), kde:
- Ftřída je Coulombova síla, N;
- q1, q2 jsou nabíjecí moduly, C;
- r je vzdálenost mezi náboji, m;
- ε0 - elektrická konstanta, 8,85 * 10-12 F/m (Farad na metr).
Pokud interakce neprobíhá ve vakuu, vzorec obsahuje další veličinu, která určuje vliv hmoty na Coulombovu sílu a Coulombův zákon je napsán následovně:
F=((1/4)*π* ε* ε)* (|q1|*|q2|/r2).
Tato hodnota se označuje řeckým písmenem ε (epsilon), je bezrozměrná (nemá měrnou jednotku). Dielektrická permitivita je koeficient útlumu interakce nábojů v látce.
Ve fyzice se permitivita často používá ve spojení s elektrickou konstantou, v takovém případě je vhodné zavést koncept absolutní permitivity. Označuje se εA a je rovno εA= ε*E. V tomto případě má absolutní propustnost rozměr F/m. Obyčejná permeabilita ε se také nazývá relativní, aby se odlišila od εA.
Povaha permitivity
Povaha permitivity je založena na jevu polarizace při působení elektrického pole. Většina látek je obecně elektricky neutrální, i když obsahují nabité částice. Tyto částice jsou umístěny náhodně ve hmotě hmoty a jejich elektrická pole se v průměru vzájemně neutralizují.
V dielektrikách jsou především vázané náboje (říká se jim dipóly). Tyto dipóly běžně představují svazky dvou rozdílných částic, které jsou spontánně orientovány podél tloušťky dielektrika a v průměru vytvářejí nulovou intenzitu elektrického pole. Při působení vnějšího pole mají dipóly tendenci se orientovat podle působící síly. V důsledku toho se vytváří dodatečné elektrické pole. K podobným jevům dochází také v nepolárních dielektrikách.
U vodičů jsou procesy podobné, pouze jsou zde volné náboje, které se působením vnějšího pole oddělují a vytvářejí také vlastní elektrické pole. Toto pole směřuje k vnějšímu, cloní náboje a snižuje sílu jejich interakce.Čím větší je schopnost látky polarizovat, tím vyšší je ε.
Dielektrická konstanta různých látek
Různé látky mají různé dielektrické konstanty. Hodnota ε pro některé z nich je uvedena v tabulce 1. Je zřejmé, že tyto hodnoty jsou větší než jedna, takže interakce nábojů ve srovnání s vakuem vždy klesá. Je třeba také poznamenat, že pro vzduch je ε o něco více než jednota, takže interakce nábojů ve vzduchu se prakticky neliší od interakce ve vakuu.
Tabulka 1. Hodnoty elektrické permeability pro různé látky.
| Látka | Dielektrická konstanta |
|---|---|
| Bakelit | 4,5 |
| Papír | 2,0..3,5 |
| Voda | 81 (při +20 stupních C) |
| Vzduch | 1,0002 |
| Germanium | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Dřevo | 2.7..7.5 (různé stupně) |
| Radiotechnická keramika | 10..200 |
| Slída | 5,7..11,5 |
| Sklenka | 7 |
| Textolit | 7,5 |
| Polystyren | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluoroplast | 2,1 |
| Jantar | 2,7 |
Dielektrická konstanta a kapacita kondenzátoru
Znalost hodnoty ε je v praxi důležitá např. při vytváření elektrických kondenzátorů. Jim kapacita závisí na geometrických rozměrech desek, vzdálenosti mezi nimi a permitivitě dielektrika.
Pokud potřebujete získat kondenzátor zvýšená kapacita, pak zvětšení plochy desek vede ke zvětšení rozměrů. Existují také praktické limity pro zmenšení vzdálenosti mezi elektrodami. V tomto případě může pomoci použití izolátoru se zvýšenou dielektrickou konstantou. Pokud použijete materiál s vyšším ε, můžete násobně zmenšit velikost desek nebo zvětšit vzdálenost mezi nimi bez ztráty elektrická kapacita.
Do samostatné kategorie se rozlišují látky zvané feroelektrika, u kterých za určitých podmínek dochází k samovolné polarizaci.V uvažované oblasti se vyznačují dvěma body:
- velké hodnoty dielektrické permitivity (typické hodnoty - od stovek do několika tisíc);
- schopnost řídit hodnotu dielektrické konstanty změnou vnějšího elektrického pole.
Těchto vlastností se využívá pro výrobu vysokokapacitních kondenzátorů (díky zvýšené hodnotě dielektrické konstanty izolátoru) s malými indikátory hmotnosti a velikosti.
Taková zařízení pracují pouze v nízkofrekvenčních obvodech střídavého proudu - s rostoucí frekvencí klesá jejich dielektrická konstanta. Další aplikací feroelektrik jsou proměnné kondenzátory, jejichž charakteristiky se mění vlivem aplikovaného elektrického pole s měnícími se parametry.
Dielektrická konstanta a dielektrické ztráty
Také ztráty v dielektriku závisí na hodnotě dielektrické konstanty - to je část energie, která se ztrácí v dielektriku na jeho ohřev. K popisu těchto ztrát se obvykle používá parametr tan δ - tangens úhlu dielektrických ztrát. Charakterizuje sílu dielektrických ztrát v kondenzátoru, ve kterém je dielektrikum vyrobeno z materiálu s dostupným tg δ. A měrná ztráta výkonu pro každou látku je určena vzorcem p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, kde:
- p je měrná ztráta výkonu, W;
- ώ=2*π*f je kruhová frekvence elektrického pole;
- E je intenzita elektrického pole, V/m.
Je zřejmé, že čím vyšší je dielektrická konstanta, tím vyšší jsou ztráty v dielektriku, přičemž všechny ostatní věci jsou stejné.
Závislost permitivity na vnějších faktorech
Je třeba poznamenat, že hodnota permitivity závisí na frekvenci elektrického pole (v tomto případě na frekvenci napětí aplikovaného na desky). S rostoucí frekvencí klesá u mnoha látek hodnota ε. Tento efekt je výrazný u polárních dielektrik. Tento jev lze vysvětlit tím, že náboje (dipóly) přestanou mít čas sledovat pole. U látek, které se vyznačují iontovou nebo elektronovou polarizací, je závislost permitivity na frekvenci malá.
Proto je výběr materiálů pro výrobu dielektrika kondenzátoru tak důležitý. To, co funguje při nízkých frekvencích, nemusí nutně poskytovat dobrou izolaci při vysokých frekvencích. Jako izolant na KV se nejčastěji používají nepolární dielektrika.
Také dielektrická konstanta závisí na teplotě a v různých látkách různými způsoby. U nepolárních dielektrik se s rostoucí teplotou snižuje. V tomto případě pro kondenzátory vyrobené s použitím takového izolátoru hovoří o záporném teplotním koeficientu kapacity (TKE) - kapacita klesá s rostoucí teplotou po ε. U ostatních látek se propustnost zvyšuje s rostoucí teplotou a lze získat kondenzátory s kladným TKE. Zahrnutím kondenzátorů s opačným TKE do páru můžete získat tepelně stabilní kapacitu.
Pochopení podstaty a znalost hodnoty permitivity různých látek je důležité pro praktické účely. A schopnost řídit úroveň dielektrické konstanty poskytuje další technické perspektivy.
Podobné články:
