Krūčiai sąveikauja tarpusavyje skirtingose laikmenose su skirtingomis jėgomis, kurias lemia Kulono dėsnis. Šių terpių savybes lemia dydis, vadinamas laidumu.
Turinys
Kas yra dielektrinė konstanta
Pagal Kulono dėsnis, du fiksuoto taško mokesčiai q1 ir q2 vakuume sąveikauja vienas su kitu jėga, nurodyta formule Fklasė=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), kur:
- Fklasė yra Kulono jėga, N;
- q1, q2 yra įkrovimo moduliai, C;
- r – atstumas tarp krūvių, m;
- ε0 - elektros konstanta, 8,85 * 10-12 F/m (Farad vienam metrui).
Jei sąveika nevyksta vakuume, į formulę įtraukiamas kitas dydis, lemiantis medžiagos įtaką Kulono jėgai, o Kulono dėsnis rašomas taip:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Ši reikšmė žymima graikiška raide ε (epsilon), ji yra be matmenų (neturi matavimo vieneto). Dielektrinis laidumas yra medžiagos krūvių sąveikos silpnėjimo koeficientas.
Dažnai fizikoje laidumas vartojamas kartu su elektrine konstanta, tokiu atveju patogu įvesti absoliutaus laidumo sąvoką. Jis žymimas εa ir yra lygus εa= ε*e. Šiuo atveju absoliutus pralaidumas turi matmenį F/m. Paprastasis pralaidumas ε taip pat vadinamas santykiniu, kad būtų atskirtas nuo εa.
Leidžiamumo pobūdis
Pralaidumo pobūdis pagrįstas poliarizacijos reiškiniu veikiant elektriniam laukui. Dauguma medžiagų paprastai yra elektriškai neutralios, nors jose yra įkrautų dalelių. Šios dalelės yra atsitiktinai medžiagos masėje, o jų elektriniai laukai vidutiniškai neutralizuoja vienas kitą.
Dielektrikuose daugiausia yra surištieji krūviai (jie vadinami dipoliais). Šie dipoliai paprastai yra dviejų skirtingų dalelių pluoštai, kurie yra spontaniškai orientuoti išilgai dielektriko storio ir vidutiniškai sukuria nulinį elektrinio lauko stiprumą. Veikiant išoriniam laukui, dipoliai linkę orientuotis pagal taikomą jėgą. Dėl to susidaro papildomas elektrinis laukas. Panašūs reiškiniai pasitaiko ir nepoliniuose dielektrikuose.
Laidininkuose procesai panašūs, tik yra laisvieji krūviai, kurie veikiant išoriniam laukui atsiskiria ir taip pat sukuria savo elektrinį lauką. Šis laukas yra nukreiptas į išorinį, ekranuoja krūvius ir sumažina jų sąveikos stiprumą.Kuo didesnis medžiagos gebėjimas poliarizuotis, tuo didesnis ε.
Įvairių medžiagų dielektrinė konstanta
Skirtingos medžiagos turi skirtingas dielektrines konstantas. Kai kurių iš jų ε reikšmė pateikta 1 lentelėje. Akivaizdu, kad šios reikšmės yra didesnės už vienetą, todėl krūvių sąveika, lyginant su vakuumu, visada mažėja. Taip pat reikia pažymėti, kad orui ε yra šiek tiek daugiau nei vienetas, todėl krūvių sąveika ore praktiškai nesiskiria nuo sąveikos vakuume.
1 lentelė. Įvairių medžiagų elektrinio pralaidumo reikšmės.
| Medžiaga | Dielektrinė konstanta |
|---|---|
| Bakelitas | 4,5 |
| Popierius | 2,0..3,5 |
| Vanduo | 81 (esant +20 laipsnių C) |
| Oras | 1,0002 |
| germanis | 16 |
| Getinaksas | 5..6 |
| Mediena | 2.7..7.5 (įvairios klasės) |
| Radijo inžinerijos keramika | 10..200 |
| Žėrutis | 5,7..11,5 |
| Stiklas | 7 |
| Tekstolitas | 7,5 |
| Polistirenas | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluoroplastas | 2,1 |
| Gintaras | 2,7 |
Kondensatoriaus dielektrinė konstanta ir talpa
Žinoti ε reikšmę praktikoje svarbu, pavyzdžiui, kuriant elektrinius kondensatorius. Juos talpa priklauso nuo plokščių geometrinių matmenų, atstumo tarp jų ir dielektriko laidumo.
Jei reikia gauti kondensatorius padidinta talpa, tada padidėjus plokščių plotui padidėja matmenys. Taip pat yra praktinių apribojimų sumažinti atstumą tarp elektrodų. Tokiu atveju gali padėti izoliatoriaus su padidinta dielektrine konstanta naudojimas. Jei naudojate medžiagą su didesniu ε, galite daug kartų sumažinti plokščių dydį arba padidinti atstumą tarp jų be nuostolių elektros talpa.
Medžiagos, vadinamos feroelektrikais, išskiriamos į atskirą kategoriją, kurioje tam tikromis sąlygomis vyksta spontaniška poliarizacija.Nagrinėjamoje srityje jie pasižymi dviem punktais:
- didelės dielektrinio laidumo vertės (tipinės vertės - nuo šimtų iki kelių tūkstančių);
- galimybė valdyti dielektrinės konstantos reikšmę keičiant išorinį elektrinį lauką.
Šios savybės naudojamos gaminant didelės talpos kondensatorius (dėl padidintos izoliatoriaus dielektrinės konstantos vertės) su mažais svorio ir dydžio rodikliais.
Tokie įrenginiai veikia tik žemo dažnio kintamosios srovės grandinėse – didėjant dažniui, mažėja jų dielektrinė konstanta. Kitas feroelektrikos pritaikymas yra kintamieji kondensatoriai, kurių charakteristikos kinta veikiant kintamų parametrų elektriniam laukui.
Dielektrinė konstanta ir dielektriniai nuostoliai
Taip pat nuostoliai dielektrike priklauso nuo dielektriko konstantos vertės – tai ta energijos dalis, kuri prarandama dielektrike jam šildyti. Šiems nuostoliams apibūdinti dažniausiai naudojamas parametras tan δ – dielektrinių nuostolių kampo liestinė. Jis apibūdina dielektrinių nuostolių galią kondensatoriuje, kuriame dielektrikas pagamintas iš medžiagos, kurios tg δ. O savitieji galios nuostoliai kiekvienai medžiagai nustatomi pagal formulę p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, kur:
- p yra savitieji galios nuostoliai, W;
- ώ=2*π*f – apskritimo elektrinio lauko dažnis;
- E – elektrinio lauko stipris, V/m.
Akivaizdu, kad kuo didesnė dielektrinė konstanta, tuo didesni dielektriko nuostoliai, kai visi kiti dalykai yra vienodi.
Pralaidumo priklausomybė nuo išorinių veiksnių
Atkreiptinas dėmesys, kad skvarbos reikšmė priklauso nuo elektrinio lauko dažnio (šiuo atveju nuo plokštėms tiekiamos įtampos dažnio). Didėjant dažniui, daugelio medžiagų ε reikšmė mažėja. Šis efektas ryškus poliariniams dielektrikams. Šį reiškinį galima paaiškinti tuo, kad krūviai (dipoliai) nustoja laiko sekti lauką. Medžiagų, kurioms būdinga joninė arba elektroninė poliarizacija, laidumo priklausomybė nuo dažnio yra maža.
Todėl kondensatoriaus dielektriko gamybos medžiagų pasirinkimas yra toks svarbus. Tai, kas veikia esant žemiems dažniams, nebūtinai užtikrins gerą aukštų dažnių izoliaciją. Dažniausiai nepoliniai dielektrikai naudojami kaip HF izoliatorius.
Taip pat dielektrinė konstanta priklauso nuo temperatūros, o įvairiose medžiagose – skirtingai. Nepolinių dielektrikų atveju jis mažėja didėjant temperatūrai. Šiuo atveju kondensatoriams, pagamintiems naudojant tokį izoliatorių, kalbama apie neigiamą temperatūros talpos koeficientą (TKE) - talpa mažėja didėjant temperatūrai po ε. Kitoms medžiagoms pralaidumas didėja didėjant temperatūrai, galima gauti kondensatorius su teigiama TKE. Į porą įtraukdami kondensatorius su priešingu TKE, galite gauti termiškai stabilią talpą.
Praktiniais tikslais svarbu suprasti įvairių medžiagų skvarbumo esmę ir žinoti apie jų vertę. O galimybė valdyti dielektrinės konstantos lygį suteikia papildomų techninių perspektyvų.
Panašūs straipsniai:
