Quelle est la constante diélectrique d'un diélectrique. Méthodologie de mesure de la constante diélectrique

Perméabilité électrique

Perméabilité électrique est une grandeur caractérisant la capacité d'un diélectrique placé entre les armatures d'un condensateur. Comme on le sait, la capacité d'un condensateur plat dépend de la surface des plaques (que zone plus grande plaques, plus la capacité est grande), la distance entre les plaques ou l'épaisseur du diélectrique (plus le diélectrique est épais, plus la capacité est petite), ainsi que sur le matériau diélectrique dont la caractéristique est la constante électrique.

Numériquement, la permittivité électrique est égale au rapport de la capacité du condensateur avec tout diélectrique du même condensateur à air. Pour créer des condensateurs compacts, il est nécessaire d'utiliser des diélectriques à haute permittivité électrique. La permittivité électrique de la plupart des diélectriques est de plusieurs unités.

Des diélectriques à perméabilité électrique élevée et ultra-élevée ont été obtenus en technologie. Leur partie principale est le rutile (dioxyde de titane).

Figure 1. Perméabilité électrique du milieu

Angle de perte diélectrique

Dans l'article "Diélectriques", nous avons examiné des exemples d'inclusion d'un diélectrique dans des circuits DC et DC. courant alternatif. Il s'est avéré que dans un diélectrique réel, lorsqu'il fonctionne dans un champ électrique formé par une tension alternative, de l'énergie thermique est libérée. La puissance absorbée dans ce cas est appelée pertes diélectriques. Dans l'article « Un circuit à courant alternatif contenant une capacité », il sera prouvé que dans un diélectrique idéal, le courant capacitif est en avance sur la tension d'un angle inférieur à 90°. Dans un diélectrique réel, le courant capacitif entraîne la tension d'un angle inférieur à 90°. La diminution de l'angle est influencée par le courant de fuite, autrement appelé courant de conduction.

La différence entre 90° et l'angle de décalage entre la tension et le courant passant dans un circuit avec un diélectrique réel est appelée angle de perte diélectrique ou angle de perte et est notée δ (delta). Le plus souvent ce n'est pas l'angle lui-même qui est déterminé, mais la tangente de cet angle -bronzage δ.

Il a été établi que les pertes diélectriques sont proportionnelles au carré de la tension, à la fréquence du courant alternatif, à la capacité du condensateur et à la tangente de l'angle de perte diélectrique.

Par conséquent, plus la tangente de perte diélectrique, tan δ, est grande, plus la perte d'énergie dans le diélectrique est importante, plus le matériau diélectrique est mauvais. Les matériaux avec une tg δ relativement grande (de l'ordre de 0,08 à 0,1 ou plus) sont de mauvais isolants. Les matériaux avec un tan δ relativement faible (environ 0,0001) sont de bons isolants.

Constante diélectrique relative environnement ε - sans dimension quantité physique, caractérisant les propriétés du milieu isolant (diélectrique). Associé à l'effet de polarisation des diélectriques sous l'influence champ électrique(et avec la valeur de la susceptibilité diélectrique du milieu caractérisant cet effet). La valeur ε montre combien de fois la force d'interaction entre deux charges électriques dans un milieu est moindre que dans le vide. Constante diélectrique relative de l'air et de la plupart des autres gaz conditions normales proches de l'unité (en raison de leur faible densité). Pour la plupart des diélectriques solides ou liquides, la permittivité relative varie de 2 à 8 (pour un champ statique). La constante diélectrique de l'eau dans un champ statique est assez élevée - environ 80. Ses valeurs sont élevées pour les substances dont les molécules ont un grand dipôle électrique. La constante diélectrique relative des ferroélectriques est de dizaines et de centaines de milliers.

Utilisation pratique

La constante diélectrique des diélectriques est l’un des principaux paramètres de conception des condensateurs électriques. L'utilisation de matériaux à constante diélectrique élevée peut réduire considérablement les dimensions physiques des condensateurs.

Le paramètre de constante diélectrique est pris en compte lors de la conception des circuits imprimés. La valeur de la constante diélectrique de la substance entre les couches, en combinaison avec son épaisseur, affecte la valeur de la capacité statique naturelle des couches de puissance et affecte également de manière significative l'impédance caractéristique des conducteurs de la carte.

Dépendance à la fréquence

Il convient de noter que la constante diélectrique dépend largement de la fréquence Champ électromagnétique. Ceci doit toujours être pris en compte, car les tableaux de référence contiennent généralement des données pour un champ statique ou des basses fréquences jusqu'à quelques unités de kHz sans préciser ce fait. Parallèlement, il existe des méthodes optiques permettant d'obtenir la constante diélectrique relative basée sur l'indice de réfraction à l'aide d'ellipsomètres et de réfractomètres. La valeur obtenue par la méthode optique (fréquence 10-14 Hz) différera considérablement des données des tableaux.

Prenons par exemple le cas de l’eau. Dans le cas d'un champ statique (fréquence nulle), la constante diélectrique relative dans des conditions normales est d'environ 80. C'est le cas jusqu'aux fréquences infrarouges. À partir d'environ 2 GHz εr commence à tomber. Dans le domaine optique εr est d'environ 1,8. Ceci est tout à fait cohérent avec le fait que dans le domaine optique, l'indice de réfraction de l'eau est de 1,33. Dans une gamme de fréquences étroite, appelée optique, l'absorption diélectrique tombe à zéro, ce qui fournit en fait à une personne le mécanisme de vision dans l'atmosphère terrestre saturé de vapeur d’eau. Avec une nouvelle augmentation de la fréquence, les propriétés du milieu changent à nouveau.

Valeurs de constante diélectrique pour certaines substances

LA CONSTANTE DIÉLECTRIQUE (constante diélectrique) est une grandeur physique caractérisant la capacité d'une substance à réduire les forces d'interaction électrique dans cette substance par rapport au vide. Ainsi, d.p. montre combien de fois les forces d'interaction électrique dans une substance sont inférieures à celles dans le vide.

D.p. est une caractéristique qui dépend de la structure de la substance diélectrique. Les électrons, les ions, les atomes, les molécules ou leurs parties individuelles et les sections plus grandes de toute substance dans un champ électrique sont polarisés (voir Polarisation), ce qui conduit à une neutralisation partielle du champ électrique externe. Si la fréquence du champ électrique est proportionnelle au temps de polarisation de la substance, alors dans une certaine plage de fréquences, il y a dispersion du facteur de dispersion, c'est-à-dire la dépendance de sa valeur sur la fréquence (voir Dispersion). La puissance d’une substance dépend à la fois des propriétés électriques des atomes et des molécules et de leur disposition relative, c’est-à-dire de la structure de la substance. Ainsi, la détermination de la conductivité électrique ou de ses évolutions en fonction des conditions environnementales est utilisée lors de l'étude de la structure d'une substance, et en particulier de divers tissus de l'organisme (voir Conductivité électrique des systèmes biologiques).

Diverses substances (diélectriques) selon leur structure et état d'agrégation avoir différentes valeurs de D. p. (tableau).

Tableau. La valeur de la constante diélectrique de certaines substances

L'étude de D. et. dans les liquides polaires. Un représentant typique d'entre eux est l'eau, constituée de dipôles orientés dans un champ électrique en raison de l'interaction entre les charges du dipôle et du champ, ce qui conduit à l'apparition d'un dipôle ou d'une polarisation d'orientation. La valeur élevée de la pression de l'eau (80 à t° 20°) détermine haut degré dissociation de divers produits chimiques qu'il contient. substances et bonne solubilité des sels, composés, bases et autres composés (voir Dissociation, Électrolytes). Avec une augmentation de la concentration de l'électrolyte dans l'eau, la valeur de son DP diminue (par exemple, pour les électrolytes monovalents, le DP de l'eau diminue de un lorsque la concentration en sel augmente de 0,1 M).

La plupart des objets biol appartiennent à des diélectriques hétérogènes. Lors de l'interaction des ions d'un objet biologique avec un champ électrique, la polarisation des interfaces est d'une importance significative (voir Membranes biologiques). Dans ce cas, l'ampleur de la polarisation est d'autant plus grande que la fréquence du champ électrique est faible. Étant donné que la polarisation des limites de l'interface d'un biol, un objet dépend de leur perméabilité (voir) aux ions, il est évident que le D. p. effectif est largement déterminé par l'état des membranes.

Étant donné que la polarisation d'un objet hétérogène aussi complexe qu'un objet biologique a une nature différente (concentration, macrostructurale, orientation, ionique, électronique, etc.), il devient clair qu'avec l'augmentation de la fréquence, le changement du facteur de dispersion (dispersion) est brutal exprimé. Classiquement, on distingue trois régions de dispersion de la fréquence dynamique : dispersion alpha (à des fréquences allant jusqu'à 1 kHz), dispersion bêta (fréquence de quelques kHz à plusieurs dizaines de MHz) et dispersion gamma (fréquences supérieures à 10,9 Hz) ; dans le biol, les objets, il n'y a généralement pas de frontière claire entre les zones de dispersion.

Avec la détérioration de la fonction, de l'état du biol, de l'objet, la dispersion de D. p. aux basses fréquences diminue jusqu'à disparition complète(avec mort des tissus). Aux hautes fréquences, la valeur du d.p. ne change pas de manière significative.

Les D.p. sont mesurés dans une large gamme de fréquences et, en fonction de la gamme de fréquences, les méthodes de mesure changent également de manière significative. Aux fréquences du courant électrique inférieures à 1 Hz, la mesure est effectuée en utilisant la méthode de charge ou de décharge d'un condensateur rempli de la substance d'essai. Connaissant la dépendance du courant de charge ou de décharge avec le temps, il est possible de déterminer non seulement la valeur de la capacité électrique du condensateur, mais également les pertes dans celui-ci. Aux fréquences de 1 à 3 10 8 Hz pour mesurer D. et. Ils utilisent des méthodes spéciales de résonance et de pont, qui permettent d'étudier de manière approfondie les changements de pression dynamique. diverses substances de la manière la plus complète et la plus complète.

Dans la recherche médico-biologique, on utilise le plus souvent des ponts symétriques à courant alternatif avec lecture directe des grandeurs mesurées.

Bibliographie: Chauffage haute fréquence des diélectriques et des semi-conducteurs, éd. A. V. Netushila, M. -L., 1959, bibliogr.; S Edunov B. I. et Frank-K a m e-ne c k et y D. A. Constante diélectrique des objets biologiques, Usp. physique Sciences, tome 79, v. 4, p. 617, 1963, bibliogr.; Electronique et cybernétique en biologie et médecine, trans. de l'anglais, éd. P.K. Anokhina, p. 71, M., 1963, bibliogr.; E m e F. Mesures diélectriques, trans. de l'allemand, M., 1967, bibliogr.

Le niveau de polarisabilité d'une substance est caractérisé par une valeur spéciale appelée constante diélectrique. Considérons quelle est cette valeur.

Supposons que l'intensité d'un champ uniforme entre deux plaques chargées dans le vide soit égale à E₀. Comblons maintenant l'écart entre eux avec n'importe quel diélectrique. qui apparaissent à la frontière entre le diélectrique et le conducteur du fait de sa polarisation, neutralisent partiellement l'effet des charges sur les plaques. L'intensité E de ce champ deviendra inférieure à l'intensité E₀.

L'expérience révèle que lorsque l'espace entre les plaques est rempli séquentiellement de diélectriques égaux, les intensités de champ seront différentes. Par conséquent, connaissant la valeur du rapport de l'intensité du champ électrique entre les plaques en l'absence de diélectrique E₀ et en présence de diélectrique E, on peut déterminer sa polarisabilité, c'est-à-dire sa constante diélectrique. Cette quantité est généralement désignée par la lettre grecque dding (epsilon). On peut donc écrire :

La constante diélectrique montre combien de fois il y aura moins de ces charges dans un diélectrique (homogène) que dans le vide.

La diminution de la force d'interaction entre les charges est provoquée par les processus de polarisation du milieu. Dans un champ électrique, les électrons des atomes et des molécules sont réduits par rapport aux ions, et c'est-à-dire apparaissent. les molécules qui ont leur propre moment dipolaire (en particulier les molécules d'eau) sont orientées dans le champ électrique. Ces moments créent les leurs champ électrique, neutralisant le champ qui a provoqué leur apparition. En conséquence, le champ électrique total diminue. Dans les petits champs, ce phénomène est décrit à l'aide du concept de constante diélectrique.

Vous trouverez ci-dessous la constante diélectrique sous vide de diverses substances :

Air……………………………....1.0006

Paraffine…………………………....2

Plexiglas (plexiglas)……3-4

Ébonite……………………………..…4

Porcelaine……………………………....7

Verre…………………………..…….4-7

Mica……………………………..….4-5

Soie naturelle............4-5

Ardoise........................6-7

Ambre………………12.8

Eau…………………………………...….81

Ces valeurs de constante diélectrique des substances se réfèrent à des températures ambiantes comprises entre 18 et 20 °C. Donc constante diélectrique solides change légèrement avec la température, à l'exception des ferroélectriques.

Au contraire, pour les gaz, elle diminue en raison d'une augmentation de la température et augmente en raison d'une augmentation de la pression. En pratique, il est considéré comme un seul.

Les impuretés en petites quantités ont peu d'effet sur le niveau de constante diélectrique des liquides.

Si deux charges ponctuelles arbitraires sont placées dans un diélectrique, alors l'intensité du champ créé par chacune de ces charges à l'emplacement de l'autre charge diminue de ¥ fois. Il s’ensuit que la force avec laquelle ces charges interagissent les unes avec les autres est également ¥ fois moindre. Ainsi, pour les charges placées dans un diélectrique, elle s'exprime par la formule :

F = (q₁q₂)/(4πddingₐr²),

où F est la force d'interaction, q₁ et q₂ sont l'ampleur des charges, d est la constante diélectrique absolue du milieu, r est la distance entre les charges ponctuelles.

La valeur de ک peut être affichée numériquement en unités relatives (par rapport à la valeur de la permittivité diélectrique absolue du vide ک₀). La valeur DT = DTₐ/DT₀ est appelée constante diélectrique relative. Il révèle combien de fois l'interaction entre les charges dans un milieu infiniment homogène est plus faible que dans le vide ; ک = کₐ/ک₀ est souvent appelée constante diélectrique complexe. La valeur numérique de la quantité DT₀, ainsi que sa dimension, dépendent du système d'unités choisi ; et la valeur de d - ne dépend pas. Ainsi, dans le système SGSE DT₀ = 1 (cette quatrième unité de base) ; dans le système SI, la constante diélectrique du vide s'exprime :

ک₀ = 1/(4π˖9˖10⁹) farad/mètre = 8,85˖10⁻¹² f/m (dans ce système, din₀ est une quantité dérivée).

Comme vous le savez, l’air qui nous entoure est une combinaison de plusieurs gaz et constitue donc un bon diélectrique. En particulier, grâce à cela, dans de nombreux cas, il est possible d'éviter la nécessité d'organiser des couches isolantes supplémentaires de n'importe quel matériau autour du conducteur. Aujourd'hui, nous parlerons de perméabilité à l'air. Mais commençons peut-être par définir exactement ce que l’on entend exactement par le terme « diélectrique ».

Toutes les substances, en fonction de leur capacité à conduire le courant électrique, sont classiquement divisées en trois Grands groupes: conducteurs, semi-conducteurs et diélectriques. Les premiers offrent une résistance minimale au passage dirigé de particules chargées à travers eux. Leur groupe le plus important est celui des métaux (aluminium, cuivre, fer). Ces derniers conduisent le courant sous certaines conditions (silicium, germanium). Eh bien, le troisième est si gros que le courant ne les traverse pas. Un exemple frappant- air.

Que se passe-t-il lorsqu'une substance entre dans la zone d'action d'un champ électrique ? Pour les conducteurs, la réponse est évidente : un courant électrique apparaît (bien sûr, en présence d'un circuit fermé qui fournit un « chemin » aux particules). Cela est dû au fait que la façon dont les charges interagissent change. Des processus complètement différents se produisent lorsqu’un champ agit sur un matériau diélectrique. Lors de l'étude de l'interaction de particules avec des particules, il a été remarqué que la force de l'interaction dépend non seulement de la valeur numérique de la charge, mais également du milieu qui les sépare. Ce caractéristique importante appelée « constante diélectrique d’une substance ». En fait, il s’agit d’un facteur de correction, puisqu’il n’a aucune dimension. Elle est définie comme le rapport entre la valeur de la force d'interaction dans le vide et la valeur dans n'importe quel milieu. Signification physique Le terme « constante diélectrique » est la suivante : cette valeur montre le degré d'atténuation du champ électrique par le matériau diélectrique par rapport au vide. La raison de ce phénomène réside dans le fait que les molécules du matériau dépensent l'énergie du champ non pas pour la conductivité des particules, mais pour la polarisation.

On sait que l’air est égal à l’unité. Est-ce beaucoup ou un peu ? Voyons cela. Désormais, vous n'avez plus besoin de calculer vous-même valeur numérique perméabilité pour les substances les plus courantes, puisque toutes ces données sont données dans les tableaux correspondants. D'ailleurs, c'est dans un tableau similaire que l'égalité à un a été prise. La constante diélectrique de l'air est presque 8 fois inférieure à celle du getinax, par exemple. Connaissant ce nombre, ainsi que la valeur des charges et la distance qui les sépare, il est possible de calculer la force de leur interaction, sous réserve d'une séparation par air ou par une plaque getinax.

La formule de force est la suivante :

F = (Q1*Q2) / (4* 3,1416* E0*Es*(r*r)),

où Q1 et Q2 sont les valeurs de charge ; E0 - perméabilité sous vide (constante égale à 8,86 puissance -12) ; Es est la constante diélectrique de l'air (« 1 » ou la valeur de toute autre substance, selon le tableau) ; r est la distance entre les charges. Toutes les dimensions sont prises conformément au système SI.

Il ne faut pas confondre deux concepts différents : la « perméabilité magnétique de l'air » et sa constante diélectrique. Le magnétique est une autre caractéristique de toute substance, représentant également un coefficient, mais sa signification est différente - la relation et les valeurs dans une certaine substance. Les formules utilisent un indicateur de référence : la perméabilité magnétique pour le vide pur. Les premier et deuxième concepts sont utilisés pour effectuer des calculs sur divers appareils électriques.