Väliaineen sähköinen läpäisevyys. Dielektrisyysvakio

DIELECTRIC CONTINUITY, arvo ε, joka kuvaa vaikutuksen alaisena olevien eristeiden polarisaatiota sähkökenttä jännitys E. Dielektrisyysvakio sisältyy Coulombin lakiin suurena, joka osoittaa, kuinka monta kertaa kahden vapaan varauksen välinen vuorovaikutusvoima eristeessä on pienempi kuin tyhjiössä. Vuorovaikutuksen heikkeneminen johtuu väliaineen polarisaation seurauksena muodostuneiden sitoutuneiden varausten seulonnasta. Sidotut varaukset syntyvät varausten (elektronien, ionien) mikroskooppisen spatiaalisen uudelleenjakautumisen seurauksena yleisesti sähköisesti neutraalissa ympäristössä.

Polarisaatiovektorien P, sähkökentän voimakkuuden E ja sähköisen induktion D välinen suhde isotrooppisessa väliaineessa SI-järjestelmässä on muotoa:

missä ε 0 on sähkövakio. Suuruus dielektrisyysvakioε riippuu rakenteesta ja kemiallinen koostumus aineet sekä paine, lämpötila ja muut ulkoiset olosuhteet (taulukko).

Kaasuilla sen arvo on lähellä 1:tä, nesteillä ja kiinteillä aineilla se vaihtelee useista yksiköistä useisiin kymmeniin ja ferrosähköisillä se voi olla 10 4 . Tämä ε-arvojen hajonta johtuu erilaisista polarisaatiomekanismeista, joita esiintyy eri dielektrikissä.

Klassinen mikroskooppinen teoria johtaa ei-polaaristen eristeiden dielektrisyysvakion likimääräiseen lausekkeeseen:

missä n i on i:nnen tyypin atomien, ionien tai molekyylien pitoisuus, α i on niiden polarisoituvuus, β i on ns. sisäkenttätekijä, joka johtuu kiteen tai aineen rakenteellisista ominaisuuksista. Useimmille eristeille, joiden dielektrisyysvakio on välillä 2-8, β = 1/3. Tyypillisesti dielektrisyysvakio on käytännössä riippumaton käytetyn sähkökentän suuruudesta eristeen sähköiseen rikkoutumiseen asti. Joidenkin metallioksidien ja muiden yhdisteiden korkeat ε-arvot johtuvat niiden rakenteen erityispiirteistä, mikä mahdollistaa kentän E vaikutuksesta positiivisten ja muiden yhdisteiden kollektiivisen siirtymisen. negatiiviset ionit vastakkaisiin suuntiin ja merkittävien sitoutuneiden varausten muodostuminen kiteen rajalle.

Eristeen polarisaatioprosessi, kun sähkökenttää kohdistetaan, ei kehity hetkessä, vaan ajan kuluessa τ (relaksaatioaika). Jos kenttä E muuttuu ajassa t harmonisen lain mukaan taajuudella ω, niin dielektrisen polarisaatiolla ei ole aikaa seurata sitä ja värähtelyjen P ja E välille syntyy vaihe-ero δ. Kun kuvataan P:n ja E:n värähtelyjä kompleksisten amplitudien menetelmällä, dielektrisyysvakio esitetään kompleksina suureena:

ε = ε’ + iε",

lisäksi ε' ja ε" riippuvat arvoista ω ja τ, ja suhde ε"/ε' = tan δ määrittää väliaineen dielektriset häviöt. Vaihesiirto δ riippuu suhteesta τ ja kenttäjaksosta T = 2π/ω. Kohdassa τ<< Т (ω<< 1/τ, низкие частоты) направление Р изменяется практически одновременно с Е, т. е. δ → 0 (механизм поляризации «включён»). Соответствующее значение ε’ обозначают ε (0) . При τ >> T (korkeat taajuudet), polarisaatio ei pysy muutoksen Ε tahdissa, δ → π ja ε’ merkitsevät tässä tapauksessa ε (∞) (polarisaatiomekanismi on "pois päältä"). On selvää, että ε (0) > ε (∞) , ja in muuttuvat kentät dielektrisyysvakio osoittautuu ω:n funktioksi. Lähellä ω = l/τ ε’ muuttuu arvosta ε (0) arvoon ε (∞) (dispersioalue), ja tanδ(ω) -riippuvuus kulkee maksimin läpi.

Dispersioalueen riippuvuuksien ε’(ω) ja tanδ(ω) luonne määräytyy polarisaatiomekanismin mukaan. Kun kyseessä ovat ioniset ja elektroniset polarisaatiot, joissa sitoutuneiden varausten siirtymä on elastinen, P(t):n muutoksella kentän E vaiheittaisella sisällyttämisellä on luonne vaimennettuja värähtelyjä ja riippuvuuksia ε’(ω) ja tanδ(ω) kutsutaan resonanssiksi. Orientaatiopolarisaation tapauksessa P(t):n muodostuminen on eksponentiaalista, ja riippuvuuksia ε’(ω) ja tanδ(ω) kutsutaan relaksaatioksi.

Dielektrisen polarisaation mittausmenetelmät perustuvat vuorovaikutusilmiöihin elektromagneettinen kenttä aineen hiukkasten sähköisten dipolimomenttien kanssa ja ovat erilaisia ​​eri taajuuksilla. Useimmat menetelmät taajuudella ω ≤ 10 8 Hz perustuvat tutkittavalla dielektrillä täytetyn mittauskondensaattorin lataus- ja purkuprosessiin. Korkeammilla taajuuksilla käytetään aaltoputki-, resonanssi-, monitaajuisia ja muita menetelmiä.

Joissakin eristeissä, esimerkiksi ferrosähköisissä, P:n ja E:n [P = ε 0 (ε ‒ 1)E] ja siten myös D:n ja E:n suhteellinen suhde rikotaan jo käytännössä saavutetuissa tavallisissa sähkökentissä. Muodollisesti tätä kuvataan riippuvuudeksi ε(Ε) ≠ const. Tässä tapauksessa eristeen tärkeä sähköinen ominaisuus on differentiaalinen dielektrisyysvakio:

Epälineaarisissa dielektrikissä ε diff:n arvo mitataan yleensä heikoissa vaihtuvissa kentissä, joissa käytetään samanaikaisesti vahvaa jatkuva kenttä, ja muuttuvaa komponenttia ε diff kutsutaan reversiibeliksi dielektrisyysvakioksi.

Lit. katso Art. Dielektriset.

Aineen polarisoituvuustasolle on ominaista erityinen arvo, jota kutsutaan dielektriseksi vakioksi. Mietitään, mikä tämä arvo on.

Oletetaan, että tasaisen kentän intensiteetti kahden varautuneen levyn välillä tyhjiössä on yhtä suuri kuin E₀. Nyt täytetään niiden välinen rako millä tahansa dielektrillä. jotka esiintyvät eristeen ja johtimen välisellä rajalla sen polarisaation vuoksi, neutraloivat osittain varausten vaikutuksen levyihin. Tämän kentän intensiteetti E tulee pienemmäksi kuin intensiteetti E₀.

Kokemus osoittaa, että kun levyjen välinen rako täytetään peräkkäin yhtä suurella eristeellä, kenttävoimakkuudet ovat erilaisia. Näin ollen, kun tiedetään levyjen välisen sähkökentän voimakkuuden suhteen arvo dielektrisen E0:n puuttuessa ja dielektrisen E:n läsnä ollessa, voidaan määrittää sen polarisoituvuus, ts. sen dielektrisyysvakio. Tätä määrää merkitään yleensä kreikkalaisella kirjaimella ԑ (epsilon). Siksi voimme kirjoittaa:

Dielektrisyysvakio osoittaa, kuinka monta kertaa vähemmän näitä varauksia on dielektrisessä (homogeenisessa) kuin tyhjiössä.

Varausten välisen vuorovaikutusvoiman väheneminen johtuu väliaineen polarisaatioprosesseista. SISÄÄN sähkökenttä atomeissa ja molekyyleissä olevat elektronit pelkistyvät suhteessa ioneihin, ja ts. ne molekyylit, joilla on oma dipolimomenttinsa (erityisesti vesimolekyylit), suuntautuvat sähkökenttään. Nämä hetket luovat oman sähkökentän, joka vastustaa kenttää, joka aiheutti niiden ilmestymisen. Tämän seurauksena kokonaissähkökenttä pienenee. Pienillä kentillä tätä ilmiötä kuvataan käyttämällä dielektrisyysvakion käsitettä.

Alla on dielektrisyysvakio tyhjiössä erilaisia ​​aineita:

Ilma…………………………………1.0006

Parafiini………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Pleksilasi (pleksilasi)……3-4

Eboniitti………………………………………… 4

Posliini……………………………………………..7

Lasi………………………………………..4-7

Kiille………………………………………..4-5

Luonnonsilkki............4-5

Liuskekivi........................6-7

Meripihka………………12.8

Vesi ……………………………………………………………………….81

Nämä aineiden dielektrisyysvakion arvot viittaavat ympäristön lämpötiloihin alueella 18–20 °C. Eli dielektrisyysvakio kiinteät aineet vaihtelee hieman lämpötilan mukaan, ferrosähköjä lukuun ottamatta.

Päinvastoin, kaasuilla se pienenee lämpötilan nousun vuoksi ja kasvaa paineen nousun vuoksi. Käytännössä sitä pidetään yhtenä.

Epäpuhtaudet pieninä määrinä vaikuttavat vain vähän nesteiden dielektrisyysvakion tasoon.

Jos eristeeseen asetetaan kaksi mielivaltaista pistevarausta, kunkin varauksen synnyttämä kentänvoimakkuus toisen varauksen kohdalla pienenee ԑ-kertaisesti. Tästä seuraa, että myös voima, jolla nämä varaukset ovat vuorovaikutuksessa keskenään, on ԑ kertaa pienempi. Siksi eristeeseen sijoitetuille varauksille se ilmaistaan ​​kaavalla:

F = (q₁q₂)/(4π–ₐr²),

missä F on vuorovaikutusvoima, q1 ja q2 ovat varausten suuruus, ԑ on väliaineen absoluuttinen dielektrisyysvakio, r on pistevarausten välinen etäisyys.

ԑ:n arvo voidaan esittää numeerisesti suhteellisissa yksiköissä (suhteessa tyhjön ԑ₀ absoluuttisen dielektrisen permittiivisyyden arvoon). Arvoa ԑ = ԑₐ/ԑ₀ kutsutaan suhteelliseksi dielektrisyysvakioksi. Se paljastaa kuinka monta kertaa varausten välinen vuorovaikutus äärettömässä homogeenisessa väliaineessa on heikompaa kuin tyhjiössä; ԑ = ԑₐ/ԑ₀ kutsutaan usein kompleksiseksi dielektriseksi vakioksi. Suuren ԑ₀ numeerinen arvo sekä sen mitta riippuu valitusta yksikköjärjestelmästä; ja ԑ - arvo ei riipu. Joten SGSE-järjestelmässä ԑ₀ = 1 (tämä neljäs perusyksikkö); SI-järjestelmässä tyhjön dielektrisyysvakio ilmaistaan:

ԑ₀ = 1/(4π˖9˖10⁹) farad/metri = 8,85˖10⁻¹² f/m (tässä järjestelmässä ԑ₀ on johdettu suure).

DIELEKTRIN VAKIO

Väliaineen dielektrisyysvakioε c on suure, joka kuvaa väliaineen vaikutusta sähkökenttien vuorovaikutusvoimiin. Erilaisia ​​ympäristöjä omistaa erilaisia ​​merkityksiäε c.

Tyhjiön absoluuttista dielektrisyysvakiota kutsutaan sähkövakioksi ε 0 =8,85 10 -12 f/m.

Väliaineen absoluuttisen dielektrisyysvakion suhdetta sähkövakioon kutsutaan suhteelliseksi dielektrisyysvakioksi

nuo. suhteellinen dielektrisyysvakio ε on arvo, joka osoittaa kuinka monta kertaa väliaineen absoluuttinen dielektrisyysvakio on suurempi kuin sähköinen vakio. Suurella ε ei ole ulottuvuutta.

pöytä 1

Eristysmateriaalien suhteellinen dielektrisyysvakio

Kuten taulukosta voidaan nähdä, useimmille eristeille ε = 1-10 ja riippuu vähän sähköolosuhteista ja ympäristön lämpötilasta .

On olemassa ryhmä dielektrisiä osia ferrosähköiset, jossa ε voi saavuttaa arvot jopa 10 000 ja ε riippuu vahvasti ulkoisesta kentästä ja lämpötilasta. Ferrosähköisiä aineita ovat bariumtitanaatti, lyijytitanaatti, Rochelle-suola jne.

Kontrollikysymykset

1. Mikä on alumiinin ja kuparin atomin rakenne?

2. Millä yksiköillä atomien ja niiden hiukkasten koot mitataan?

3. Mikä sähkövaraus elektroneilla on?

4. Miksi aineet ovat sähköisesti neutraaleja normaalitilassaan?

5. Mitä kutsutaan sähkökentällä ja miten se perinteisesti kuvataan?

6. Mikä määrittää välisen vuorovaikutuksen vahvuuden sähkövaraukset?

7. Miksi jotkin materiaalit ovat johtimia ja toiset eristeitä?

8. Mitkä materiaalit luokitellaan johtimiksi ja mitkä eristeiksi?

9. Kuinka voit ladata kehosi positiivisella sähköllä?

10. Mitä kutsutaan suhteelliseksi dielektrisyysvakioksi?

Sähköinen läpäisevyys

Sähköinen permittiivisyys on arvo, joka kuvaa kondensaattorin levyjen väliin asetetun dielektrin kapasitanssia. Kuten tiedetään, litteän levykondensaattorin kapasitanssi riippuu levyjen pinta-alasta (kuin suurempi alue levyt, mitä suurempi kapasitanssi), levyjen välinen etäisyys tai eristeen paksuus (mitä paksumpi eriste, sitä pienempi kapasitanssi), sekä eristemateriaalilla, jonka ominaispiirre on sähköinen läpäisevyys.

Numeerisesti sähköinen permittiivisyys on yhtä suuri kuin kondensaattorin kapasitanssin suhde minkä tahansa saman ilmakondensaattorin eristeen kanssa. Kompaktien kondensaattoreiden luomiseksi on tarpeen käyttää eristeitä, joilla on korkea sähköinen permittiivisyys. Useimpien eristeiden sähköinen permittiivisyys on useita yksikköjä.

Tekniikassa on saatu eristeitä, joilla on korkea ja erittäin korkea sähköinen läpäisevyys. Niiden pääosa on rutiilia (titaanidioksidia).

Kuva 1. Väliaineen sähköinen läpäisevyys

Dielektrinen häviökulma

Artikkelissa "Dilectrics" tarkastelimme esimerkkejä eristeen sisällyttämisestä DC- ja DC-piireihin. vaihtovirta. Kävi ilmi, että todellisessa eristeessä, kun se toimii vaihtojännitteen muodostamassa sähkökentässä, vapautuu lämpöenergiaa. Tässä tapauksessa absorboitua tehoa kutsutaan dielektrisiksi häviöiksi. Artikkelissa "Kapasitanssia sisältävä vaihtovirtapiiri" osoitetaan, että ideaalisessa eristeessä kapasitiivinen virta johtaa jännitettä alle 90° kulman. Todellisessa eristeessä kapasitiivinen virta johtaa jännitettä alle 90° kulman. Kulman pienenemiseen vaikuttaa vuotovirta, jota kutsutaan muuten johtovirraksi.

Eroa 90°:n ja todellisen dielektrisen piirissä kulkevan jännitteen ja virran siirtokulman välillä kutsutaan kulmaksi. dielektriset häviöt tai häviökulma ja sitä merkitään δ (delta). Useammin itse kulma ei määritetä, vaan tämän kulman tangentti -tan δ.

On todettu, että dielektriset häviöt ovat verrannollisia jännitteen neliöön, vaihtovirran taajuuteen, kondensaattorin kapasitanssiin ja dielektrisen häviökulman tangenttiin.

Näin ollen mitä suurempi dielektrisen häviön tangentti, tan δ, mitä suurempi energiahäviö eristeessä, sitä huonompi dielektrinen materiaali. Materiaalit, joiden tg δ on suhteellisen suuri (luokkaa 0,08 - 0,1 tai enemmän), ovat huonoja eristeitä. Materiaalit, joilla on suhteellisen pieni tan δ (noin 0,0001), ovat hyviä eristeitä.

• sähkökentän voimakkuuden määrittäminen tyhjiössä;
• sisällytetään joidenkin sähkömagnetismin lakien, mukaan lukien Coulombin lakiin, ilmaisuihin, kun ne on kirjoitettu kansainvälisen yksikköjärjestelmän mukaisessa muodossa.

Dielektrisyysvakio muodostaa yhteyden suhteellisen ja absoluuttisen dielektrisyysvakion välillä. Se sisältyy myös Coulombin lain merkintään:

Katso myös

Huomautuksia

Kirjallisuus

Linkit

Wikimedia Foundation. 2010.

Katso, mitä "Dielektrisyysvakio" on muissa sanakirjoissa:

dielektrisyysvakio- dielektrisyysvakio - [Ya.N.Luginsky, M.S.Fezi Zhilinskaya, Yu.S.Kabirov. Sähkötekniikan ja voimatekniikan englanti-venäläinen sanakirja, Moskova, 1999] Aiheet sähkötekniikka, peruskäsitteet Synonyymit dielektrinen vakio... ...

- (nimitys e0), fyysinen määrä, joka osoittaa tyhjiössä sähkövarausten välillä vaikuttavan voiman suhteen näiden varausten koon ja niiden välisen etäisyyden välillä. Aluksi tätä ilmaisinta kutsuttiin DIELEKTRISEKSI... ... Tieteellinen ja tekninen tietosanakirja

dielektrisyysvakio- absoluuttinen dielektrisyysvakio (isotrooppiselle aineelle); ala dielektrisyysvakio Skalaarisuure, joka kuvaa dielektrin sähköisiä ominaisuuksia ja on yhtä suuri kuin siinä olevan sähkösiirtymän suhde jännitteeseen... ...

dielektrisyysvakio- dielektrinė skvarba statusas T ala fizika atitikmenys: engl. dielektrisyysvakio; permittiivisyys vok. dielektrische Leitfähigkeit, f; Dielektrizitätskonstante, f; Permittivität, f rus. dielektrisyysvakio, f; dielektrisyysvakio ... Fizikos terminų žodynas

Vanhentunut nimi dielektrisyysvakiolle (katso Dielektrisyysvakio) ... Suuri Neuvostoliiton tietosanakirja

Joidenkin nesteiden dielektrisyysvakio ε (20 °C:ssa)- Liuotin ε Asetoni 21,5 Bentseeni 2,23 Vesi 81,0 ... Kemian hakuteos

alkuperäinen dielektrisyysvakio- - [Ja.N.Luginski, M.S.Fezi Žilinskaja, Yu.S.Kabirov. Englanti-venäläinen sähkötekniikan ja voimatekniikan sanakirja, Moskova, 1999] Sähkötekniikan aiheet, peruskäsitteet FI dielektrisyysvakio ... Teknisen kääntäjän opas

suhteellinen dielektrisyysvakio- - [Ja.N.Luginski, M.S.Fezi Žilinskaja, Yu.S.Kabirov. Englanti-venäläinen sähkötekniikan ja voimatekniikan sanakirja, Moskova, 1999] Sähkötekniikan aiheet, peruskäsitteet FI suhteellinen permittiivisyyssuhteellinen dielektrisyysvakio ... Teknisen kääntäjän opas

ominaisdielektrisyysvakio- - [Ja.N.Luginski, M.S.Fezi Žilinskaja, Yu.S.Kabirov. Englanti-venäläinen sähkötekniikan ja voimatekniikan sanakirja, Moskova, 1999] Sähkötekniikan aiheet, peruskäsitteet FI simultaneous interchange capabilitySIC ... Teknisen kääntäjän opas

dielektrisyysvakio- absoluuttinen dielektrisyysvakio; ala dielektrisyysvakio Skalaarisuure, joka luonnehtii dielektrin sähköisiä ominaisuuksia, joka on yhtä suuri kuin sähkösiirtymän suuruuden suhde sähkökentän voimakkuuden suuruuteen ... Ammattikorkeakoulun terminologinen selittävä sanakirja