Ajutor la Tele2, tarife, intrebari

Constanta dielectrică- acesta este unul dintre principalii parametri care caracterizează proprietățile electrice ale dielectricilor. Cu alte cuvinte, determină cât de bun este un izolator un anumit material.

Valoarea constantei dielectrice arată dependența inducției electrice în dielectric de intensitatea câmpului electric care acționează asupra acestuia. Mai mult, valoarea sa este influențată nu numai de proprietățile fizice ale materialului sau mediului în sine, ci și de frecvența câmpului. De regulă, cărțile de referință indică valoarea măsurată pentru un câmp static sau de joasă frecvență.

Există două tipuri de constante dielectrică: absolută și relativă.

Constanta dielectrica relativa arată raportul dintre proprietățile izolatoare (dielectrice) ale materialului studiat și proprietățile similare ale vidului. Caracterizează proprietățile izolante ale unei substanțe în stare gazoasă, lichidă sau solidă. Adică este aplicabil aproape tuturor dielectricilor. Valoarea constantei dielectrice relative pentru substanțele în stare gazoasă, de regulă, este în intervalul 1. Pentru lichide și solide, poate fi într-un interval foarte larg - de la 2 și aproape la infinit.

De exemplu, constanta dielectrică relativă a apei proaspete este 80, iar cea a feroelectricilor este de zeci sau chiar sute de unități, în funcție de proprietățile materialului.

Constanta dielectrica absoluta este o valoare constantă. Caracterizează proprietățile izolante ale unei anumite substanțe sau material, indiferent de locația acesteia și de factorii externi care o afectează.

Utilizare

Constanta dielectrică, sau mai degrabă valorile sale, sunt utilizate în dezvoltarea și proiectarea de noi componente electronice, în special condensatoare. Dimensiunile viitoare și caracteristicile electrice ale componentei depind de valoarea acesteia. Această valoare este luată în considerare și la dezvoltarea circuitelor electrice întregi (în special în electronica de înaltă frecvență) și chiar

Orice substanță sau corp care ne înconjoară are anumite proprietăți electrice. Acest lucru se explică prin structura moleculară și atomică: prezența particulelor încărcate care se află într-o stare legată reciproc sau liber.

Atunci când niciun câmp electric extern nu acționează asupra substanței, aceste particule sunt distribuite astfel încât să se echilibreze între ele și să nu creeze un câmp electric suplimentar în volumul total. Când energia electrică este aplicată din exterior, are loc redistribuirea sarcinii în interiorul moleculelor și atomilor, ceea ce duce la crearea propriului câmp electric intern, îndreptat contra celui extern.

Dacă vectorul câmpului extern aplicat este notat cu „E0”, iar câmpul intern cu „E”, atunci câmpul total „E” va fi suma energiei acestor două mărimi.

În electricitate, se obișnuiește să se împartă substanțele în:

conductoare;

dielectrice.

Această clasificare există de mult timp, deși este destul de arbitrară, deoarece multe corpuri au alte proprietăți sau combinate.

Dirijori

Media care au taxe gratuite acționează ca conductori. Cel mai adesea, metalele acționează ca conductoare, deoarece structura lor conține întotdeauna electroni liberi, care se pot mișca în întregul volum al substanței și, în același timp, participă la procesele termice.

Când un conductor este izolat de acțiunea câmpurilor electrice externe, se creează în el un echilibru de sarcini pozitive și negative din rețele ionice și electroni liberi. Acest echilibru este imediat distrus la aplicare - datorită energiei căreia începe redistribuirea particulelor încărcate și pe suprafața exterioară apar sarcini dezechilibrate de cantități pozitive și negative.

Acest fenomen este de obicei numit inducție electrostatică. Sarcinile care apar pe suprafața metalelor se numesc sarcini de inducție.

Sarcinile inductive formate în conductor formează propriul câmp E, compensând efectul E0 extern în interiorul conductorului.De aceea, valoarea câmpului electrostatic total, total este compensată și egală cu 0. În acest caz, potențialele tuturor punctelor atât în ​​interior cât și în exterior sunt la fel.

Concluzia rezultată indică faptul că în interiorul conductorului, chiar și cu un câmp extern conectat, nu există nicio diferență de potențial și nici câmpuri electrostatice. Acest fapt este utilizat în ecranare - aplicarea unei metode de protecție electrostatică a persoanelor și echipamentelor electrice sensibile la câmpurile induse, în special instrumentele de măsurare de înaltă precizie și echipamentele cu microprocesor.

Îmbrăcămintea ecranată și încălțămintea realizată din țesături cu fire conductoare, inclusiv articolele pentru cap, sunt utilizate în sectorul energetic pentru a proteja personalul care lucrează în condiții de tensiune crescută create de echipamentele de înaltă tensiune.

Dielectrice

Acesta este numele dat substanțelor care au proprietăți izolante. Acestea conțin doar taxe interconectate și nu taxe gratuite. Pentru ei, toate particulele pozitive și negative sunt ținute împreună în interiorul unui atom neutru și sunt lipsite de libertatea de mișcare. Ele sunt distribuite în interiorul dielectricului și nu se mișcă sub acțiunea câmpului extern aplicat E0.

Cu toate acestea, energia sa provoacă în continuare anumite modificări în structura substanței - în interiorul atomilor și moleculelor se modifică raportul dintre particulele pozitive și negative, iar pe suprafața excesului de substanță apar sarcini legate dezechilibrate, formând un câmp electric intern E. Este dirijat contrar tensiunii aplicate din exterior.

Acest fenomen se numește polarizare dielectrică. Se caracterizează prin faptul că în interiorul substanței apare un câmp electric E, format prin acțiunea energiei exterioare E0, dar slăbit prin contraacțiunea lui E intern.”

Tipuri de polarizare

Este de două tipuri în interiorul dielectricilor:

1. orientare;

2. electronice.

Primul tip are denumirea suplimentară de polarizare dipol. Este inerent dielectricilor cu centre deplasate de sarcini negative și pozitive, care formează molecule din dipoli microscopici - o combinație neutră de două sarcini. Acest lucru este tipic pentru apă, dioxid de azot și hidrogen sulfurat.

Fără acțiunea unui câmp electric extern, dipolii moleculari ai unor astfel de substanțe sunt orientați într-o manieră haotică sub influența proceselor de temperatură existente. În acest caz, în orice punct al volumului intern și pe suprafața exterioară a dielectricului nu există sarcină electrică.

Această imagine se schimbă sub influența energiei aplicate extern, atunci când dipolii își schimbă ușor orientarea și pe suprafață apar regiuni de sarcini legate macroscopice necompensate, formând un câmp E" în direcția opusă E0 aplicată.

Cu o astfel de polarizare, temperatura are o mare influență asupra proceselor, provocând mișcare termică și creând factori de dezorientare.

Polarizare electronică, mecanism elastic

Se manifestă în dielectrici nepolari - materiale de alt tip cu molecule lipsite de moment dipol, care, sub influența unui câmp extern, sunt deformate astfel încât sarcinile pozitive sunt orientate în direcția vectorului E0 și negative. sarcinile sunt orientate în sens invers.

Ca urmare, fiecare dintre molecule acționează ca un dipol electric, orientat de-a lungul axei câmpului aplicat. În acest fel, își creează propriul câmp E” pe suprafața exterioară în direcția opusă.

În astfel de substanțe, deformarea moleculelor și, în consecință, polarizarea din influența unui câmp extern nu depinde de mișcarea lor sub influența temperaturii. Un exemplu de dielectric nepolar este metanul CH4.

Valoarea numerică a câmpului intern al ambelor tipuri de dielectrici se modifică inițial direct proporțional cu creșterea câmpului extern, iar apoi, când se atinge saturația, apar efecte neliniare. Ele apar atunci când toți dipolii moleculari sunt aliniați de-a lungul liniilor de câmp ale dielectricilor polari sau au avut loc modificări în structura unei substanțe nepolare din cauza deformării puternice a atomilor și moleculelor din energia mare aplicată extern.

În practică, astfel de cazuri apar rar - de obicei apare mai întâi o defecțiune sau o defecțiune a izolației.

Constanta dielectrică

Dintre materialele izolante, un rol important îl au caracteristicile electrice și indicatorii precum constanta dielectrică. Poate fi evaluat prin două caracteristici diferite:

1. valoare absolută;

2. dimensiune relativă.

Termenul constantă dielectrică absolută substanțele εa sunt folosite când se face referire la notația matematică a legii lui Coulomb. Acesta, sub forma coeficientului εа, conectează vectorul de inducție D și tensiunea E.

Să ne amintim că fizicianul francez Charles de Coulomb, folosind propriile sale balanțe de torsiune, a studiat modelele forțelor electrice și magnetice dintre corpurile mici încărcate.

Determinarea constantei dielectrice relative a unui mediu este utilizată pentru a caracteriza proprietățile izolatoare ale unei substanțe. Evaluează raportul dintre forța de interacțiune dintre două sarcini punctuale în două condiții diferite: în vid și într-un mediu de lucru. În acest caz, indicatorii de vid sunt luați ca 1 (εv=1), iar pentru substanțele reale sunt întotdeauna mai mari, εr>1.

Expresia numerică εr este afișată ca mărime adimensională, este explicată prin efectul de polarizare al dielectricilor și este utilizată pentru a evalua caracteristicile acestora.

Valorile constantei dielectrice ale mediilor individuale(la temperatura camerei)

Nivelul de polarizabilitate al unei substanțe este caracterizat de o valoare specială numită constantă dielectrică. Să luăm în considerare care este această valoare.

Să presupunem că intensitatea unui câmp uniform între două plăci încărcate în vid este egală cu E₀. Acum să umplem golul dintre ele cu orice dielectric. care apar la limita dintre dielectric si conductor datorita polarizarii sale, neutralizeaza partial efectul sarcinilor asupra placilor. Intensitatea E a acestui câmp va deveni mai mică decât intensitatea E₀.

Experiența dezvăluie că atunci când spațiul dintre plăci este umplut succesiv cu dielectrici egali, intensitățile câmpului vor fi diferite. Prin urmare, cunoscând valoarea raportului intensității câmpului electric dintre plăci în absența dielectricului E₀ și în prezența dielectricului E, se poate determina polarizabilitatea acestuia, adică. constanta sa dielectrică. Această cantitate este de obicei indicată cu litera greacă ԑ (epsilon). Prin urmare, putem scrie:

Constanta dielectrică arată de câte ori vor fi mai puține aceste sarcini într-un dielectric (omogen) decât în ​​vid.

Scăderea forței de interacțiune între sarcini este cauzată de procese de polarizare a mediului. Într-un câmp electric, electronii din atomi și molecule se reduc în raport cu ionii, adică apar. acele molecule care au propriul moment dipol (în special moleculele de apă) sunt orientate în câmpul electric. Aceste momente își creează propriul câmp electric, contracarând câmpul care le-a cauzat apariția. Ca urmare, câmpul electric total scade. În câmpuri mici, acest fenomen este descris folosind conceptul de constantă dielectrică.

Mai jos este constanta dielectrică în vid a diferitelor substanțe:

Aer………………………………………….1.0006

Parafină………………………………………….2

Plexiglas (plexiglas)……3-4

Ebonită………………………………..…4

Porțelan………………………………..7

Sticlă………………………………….4-7

Mica……………………………..….4-5

Mătase naturală...........4-5

Ardezie...................6-7

Chihlimbar………………12.8

Apă……………………………………………….81

Aceste valori ale constantei dielectrice a substanțelor se referă la temperaturi ambientale în intervalul 18-20 °C. Astfel, constanta dielectrică a solidelor variază ușor cu temperatura, cu excepția feroelectricilor.

Dimpotrivă, la gaze scade din cauza creșterii temperaturii și crește din cauza creșterii presiunii. În practică este luată ca una.

Impuritățile în cantități mici au un efect redus asupra nivelului constantei dielectrice a lichidelor.

Dacă două sarcini punctiforme arbitrare sunt plasate într-un dielectric, atunci intensitatea câmpului creat de fiecare dintre aceste sarcini la locul celeilalte sarcini scade de ԑ ori. De aici rezultă că forța cu care aceste sarcini interacționează între ele este, de asemenea, de ԑ ori mai mică. Prin urmare, pentru sarcinile plasate într-un dielectric, acesta este exprimat prin formula:

F = (q₁q₂)/(4πԑₐr²),

unde F este forța de interacțiune, q₁ și q₂ sunt mărimea sarcinilor, ԑ este constanta dielectrică absolută a mediului, r este distanța dintre sarcinile punctuale.

Valoarea lui ԑ poate fi afișată numeric în unități relative (față de valoarea permisivității dielectrice absolute a vidului ԑ₀). Valoarea ԑ = ԑₐ/ԑ₀ se numește constantă dielectrică relativă. Dezvăluie de câte ori interacțiunea dintre sarcini într-un mediu infinit omogen este mai slabă decât în ​​vid; ԑ = ԑₐ/ԑ₀ este adesea numit constantă dielectrică complexă. Valoarea numerică a mărimii ԑ₀, precum și dimensiunea acesteia, depind de ce sistem de unități este ales; iar valoarea lui ԑ - nu depinde. Deci, în sistemul SGSE ԑ₀ = 1 (această a patra unitate de bază); în sistemul SI, constanta dielectrică a vidului este exprimată:

ԑ₀ = 1/(4π˖9˖10⁹) farad/metru = 8,85˖10⁻¹² f/m (în acest sistem ԑ₀ este o mărime derivată).

Constanta dielectrica relativa mediu ε este o mărime fizică adimensională care caracterizează proprietățile unui mediu izolator (dielectric). Este asociată cu efectul de polarizare a dielectricilor sub influența unui câmp electric (și cu valoarea susceptibilității dielectrice a mediului care caracterizează acest efect). Valoarea ε arată de câte ori forța de interacțiune dintre două sarcini electrice într-un mediu este mai mică decât în ​​vid. Constanta dielectrică relativă a aerului și a majorității celorlalte gaze în condiții normale este aproape de unitate (datorită densității lor scăzute). Pentru majoritatea dielectricilor solizi sau lichidi, permitivitatea relativă variază de la 2 la 8 (pentru un câmp static). Constanta dielectrică a apei într-un câmp static este destul de mare - aproximativ 80. Valorile sale sunt ridicate pentru substanțele cu molecule care au un dipol electric mare. Constanta dielectrică relativă a feroelectricilor este de zeci și sute de mii.

Uz practic

Constanta dielectrică a dielectricilor este unul dintre principalii parametri în proiectarea condensatoarelor electrice. Utilizarea materialelor cu constantă dielectrică ridicată poate reduce semnificativ dimensiunile fizice ale condensatoarelor.

Parametrul constantă dielectrică este luat în considerare la proiectarea plăcilor de circuite imprimate. Valoarea constantei dielectrice a substanței dintre straturi, în combinație cu grosimea acesteia, afectează valoarea capacității statice naturale a straturilor de putere și, de asemenea, afectează semnificativ impedanța caracteristică a conductorilor de pe placă.

Dependenta de frecventa

Trebuie remarcat faptul că constanta dielectrică depinde în mare măsură de frecvența câmpului electromagnetic. Acest lucru ar trebui să fie întotdeauna luat în considerare, deoarece tabelele de referință conțin de obicei date pentru un câmp static sau frecvențe joase de până la câțiva kHz, fără a indica acest fapt. În același timp, există metode optice de obținere a constantei dielectrice relative pe baza indicelui de refracție folosind elipsometre și refractometre. Valoarea obținută prin metoda optică (frecvență 10-14 Hz) va diferi semnificativ de datele din tabele.

Luați în considerare, de exemplu, cazul apei. În cazul unui câmp static (frecvență zero), constanta dielectrică relativă în condiții normale este de aproximativ 80. Acesta este cazul până la frecvențele infraroșii. Începând de la aproximativ 2 GHz ε rîncepe să cadă. În domeniul optic ε r este de aproximativ 1,8. Acest lucru este destul de consistent cu faptul că în domeniul optic indicele de refracție al apei este de 1,33. Într-o gamă de frecvență îngustă, numită optică, absorbția dielectrică scade la zero, ceea ce oferă de fapt unei persoane mecanismul vizual în atmosfera pământului saturat cu vapori de apă. Odată cu creșterea în continuare a frecvenței, proprietățile mediului se schimbă din nou.

Valori constante dielectrice pentru unele substanțe