DIELEKTRIČNA KONSTANTA

Dielektrična konstanta medijaε c je veličina koja karakteriše uticaj sredine na sile interakcije električnih polja. Različita okruženja imaju različite vrijednosti ε c.

Apsolutna dielektrična konstanta vakuuma naziva se električna konstanta ε 0 =8,85 10 -12 f/m.

Omjer apsolutne dielektrične konstante medija i električne konstante naziva se relativna dielektrična konstanta

one. relativna dielektrična konstanta ε je vrijednost koja pokazuje koliko je puta apsolutna dielektrična konstanta medija veća od električne konstante. Količina ε nema dimenziju.

Tabela 1

Relativna dielektrična konstanta izolacijskih materijala

Kao što se može vidjeti iz tabele, za većinu dielektrika ε = 1-10 i malo zavisi od električnih uslova i temperature okoline .

Postoji grupa dielektrika tzv feroelektrika, u kojem ε može dostići vrijednosti do 10.000, i ε jako ovisi o vanjskom polju i temperaturi. Feroelektrici uključuju barijum titanat, olovo titanat, Rochelle so itd.

Kontrolna pitanja

1. Kakva je struktura atoma aluminijuma i bakra?

2. U kojim jedinicama se mjere veličine atoma i njihovih čestica?

3. Kakav električni naboj imaju elektroni?

4. Zašto su tvari električno neutralne u svom normalnom stanju?

5. Šta se naziva električno polje i kako se ono konvencionalno prikazuje?

6. Od čega zavisi sila interakcije između električnih naboja?

7. Zašto su neki materijali provodnici, a drugi izolatori?

8. Koji materijali se klasifikuju kao provodnici, a koji kao izolatori?

9. Kako možete napuniti svoje tijelo pozitivnim elektricitetom?

10. Šta se naziva relativna dielektrična konstanta?

Kapacitet kondenzatora zavisi, kako iskustvo pokazuje, ne samo od veličine, oblika i relativnog položaja njegovih sastavnih provodnika, već i od svojstava dielektrika koji ispunjava prostor između ovih vodiča. Učinak dielektrika može se utvrditi korištenjem sljedećeg eksperimenta. Napunimo ravni kondenzator i zabilježimo očitanja elektrometra, koji mjeri napon na kondenzatoru. Zatim gurnemo nenabijenu ebonitnu ploču u kondenzator (slika 63). Vidjet ćemo da će se razlika potencijala između ploča značajno smanjiti. Ako uklonite ebonit, očitanja elektrometra ostaju ista. Ovo pokazuje da se pri zamjeni zraka ebonitom povećava kapacitet kondenzatora. Uzimajući neki drugi dielektrik umjesto ebonita, dobit ćemo sličan rezultat, ali će samo promjena kapacitivnosti kondenzatora biti drugačija. Ako je kapacitet kondenzatora, između čijih ploča postoji vakuum, i kapacitivnost istog kondenzatora, kada je cijeli prostor između ploča ispunjen, bez zračnih otvora, nekom vrstom dielektrika, onda je kapacitivnost bit će nekoliko puta veća od kapacitivnosti, pri čemu ovisi samo o prirodi dielektrika. Dakle, može se pisati

Rice. 63. Kapacitivnost kondenzatora se povećava kada se ebonit ploča gurne između njegovih ploča. Listovi elektrometra otpadaju, iako naboj ostaje isti

Količina se naziva relativna dielektrična konstanta ili jednostavno dielektrična konstanta medija koji ispunjava prostor između ploča kondenzatora. U tabeli U tabeli 1 prikazane su dielektrične konstante nekih supstanci.

Tabela 1. Dielektrična konstanta nekih tvari

Gore navedeno vrijedi ne samo za ravni kondenzator, već i za kondenzator bilo kojeg oblika: zamjenom zraka nekom vrstom dielektrika, povećavamo kapacitet kondenzatora za nekoliko puta.

Strogo govoreći, kapacitivnost kondenzatora se povećava za faktor samo ako sve linije polja koje idu od jedne ploče do druge prolaze kroz dati dielektrik. To će biti slučaj, na primjer, za kondenzator koji je potpuno uronjen u neki tekući dielektrik uliven u veliku posudu. Međutim, ako je razmak između ploča mali u odnosu na njihove veličine, onda možemo pretpostaviti da je dovoljno ispuniti samo prostor između ploča, jer je tu praktično koncentrisano električno polje kondenzatora. Dakle, za ravni kondenzator dovoljno je popuniti samo prostor između ploča dielektrikom.

Postavljanjem tvari visoke dielektrične konstante između ploča, kapacitet kondenzatora može se znatno povećati. Ovo se koristi u praksi, a obično se staklo, parafin, liskun i druge supstance biraju kao dielektrik za kondenzator, a ne vazduh. Na sl. 64 prikazuje tehnički kondenzator u kojem je dielektrik papirna traka impregnirana parafinom. Njegovi omoti su staniol listovi pritisnuti s obje strane na voštani papir. Kapacitet takvih kondenzatora često doseže nekoliko mikrofarada. Na primjer, amaterski radio kondenzator veličine kutije šibica ima kapacitet od 2 µF.

Rice. 64. Tehnički ravni kondenzator: a) montiran; b) u djelimično rastavljenom obliku: 1 i 1" - staniol trake, između kojih su položene trake od voštanog tankog papira 2. Sve trake su presavijene kao harmonika i smještene u metalnu kutiju. Kontakti 3 i 3" su zalemljeni na krajeve traka 1 i 1". za uključivanje kondenzatora u kolo

Jasno je da su samo dielektrici s vrlo dobrim izolacijskim svojstvima prikladni za proizvodnju kondenzatora. U suprotnom, naelektrisanja će teći kroz dielektrik. Stoga voda, unatoč visokoj dielektričnoj konstanti, uopće nije prikladna za proizvodnju kondenzatora, jer je samo izuzetno pažljivo pročišćena voda dovoljno dobar dielektrik.

Ako je prostor između ploča ravnog kondenzatora ispunjen medijem sa dielektričnom konstantom, tada formula (34.1) za ravni kondenzator ima oblik

Činjenica da kapacitivnost kondenzatora zavisi od okoline ukazuje da se električno polje unutar dielektrika menja. Vidjeli smo da kada se kondenzator napuni dielektrikom s dielektričnom konstantom, kapacitivnost se povećava za faktor nekoliko puta. To znači da se s istim nabojem na pločama potencijalna razlika između njih smanjuje za faktor. Ali razlika potencijala i jačina polja su međusobno povezani relacijom (30.1). Stoga, smanjenje razlike potencijala znači da jačina polja u kondenzatoru kada se napuni dielektrikom postaje manja za faktor. To je razlog povećanja kapaciteta kondenzatora. puta manje nego u vakuumu. Iz ovoga zaključujemo da Coulombov zakon (10.1) za tačkasto naelektrisanje postavljeno u dielektrik ima oblik

Dielektriḱ hemijski prodoŕ kapacitet medij - fizička veličina koja karakterizira svojstva izolacijskog (dielektričnog) medija i pokazuje ovisnost električne indukcije o jakosti električnog polja.

Određuje se efektom polarizacije dielektrika pod utjecajem električnog polja (i vrijednošću dielektrične osjetljivosti medija koja karakterizira ovaj efekat).

Postoje relativne i apsolutne dielektrične konstante.

Relativna dielektrična konstanta ε je bezdimenzionalna i pokazuje koliko je puta sila interakcije između dva električna naboja u mediju manja nego u vakuumu. Ova vrijednost za zrak i većinu drugih plinova u normalnim uvjetima je blizu jedinice (zbog njihove male gustine). Za većinu čvrstih ili tekućih dielektrika, relativna permitivnost se kreće od 2 do 8 (za statičko polje). Dielektrična konstanta vode u statičkom polju je prilično visoka - oko 80. Njene vrijednosti su velike za tvari s molekulama koje imaju veliki električni dipolni moment. Relativna dielektrična konstanta feroelektrika je desetine i stotine hiljada.

Apsolutna dielektrična konstanta u stranoj literaturi označava se slovom ε u domaćoj literaturi, pretežno se koristi kombinacija, gdje je električna konstanta; Apsolutna dielektrična konstanta se koristi samo u Međunarodnom sistemu jedinica (SI), u kojem se indukcija i jačina električnog polja mjere u različitim jedinicama. U sistemu SGS nema potrebe za uvođenjem apsolutne dielektrične konstante. Apsolutna dielektrična konstanta (kao i električna konstanta) ima dimenziju L −3 M −1 T 4 I². U međunarodnom sistemu jedinica (SI) jedinica: =F/m.

Treba napomenuti da dielektrična konstanta u velikoj mjeri ovisi o frekvenciji elektromagnetnog polja. Ovo uvijek treba uzeti u obzir, jer referentne tabele obično sadrže podatke za statičko polje ili niske frekvencije do nekoliko jedinica kHz bez naznake ove činjenice. Istovremeno, postoje optičke metode za dobijanje relativne dielektrične konstante na osnovu indeksa prelamanja pomoću elipsometara i refraktometara. Vrijednost dobivena optičkom metodom (frekvencija 10-14 Hz) značajno će se razlikovati od podataka u tabelama.

Razmotrimo, na primjer, slučaj vode. U slučaju statičkog polja (frekvencija nula), relativna dielektrična konstanta u normalnim uslovima je približno 80. To je slučaj sve do infracrvenih frekvencija. Počevši od približno 2 GHz ε r počinje da pada. U optičkom opsegu ε r je otprilike 1,8. Ovo je sasvim u skladu sa činjenicom da je u optičkom opsegu indeks loma vode 1,33. U uskom frekvencijskom opsegu, zvanom optički, dielektrična apsorpcija pada na nulu, što zapravo daje osobi mehanizam vida [ izvor nije naveden 1252 dana] u zemljinoj atmosferi zasićenoj vodenom parom. Sa daljim povećanjem frekvencije, svojstva medija se ponovo menjaju. O ponašanju relativne dielektrične konstante vode u frekvencijskom području od 0 do 10 12 (infracrveno područje) možete pročitati na (engleski)

Dielektrična konstanta dielektrika jedan je od glavnih parametara u razvoju električnih kondenzatora. Upotreba materijala visoke dielektrične konstante može značajno smanjiti fizičke dimenzije kondenzatora.

Kapacitet kondenzatora se određuje:

Gdje ε r- dielektrična konstanta supstance između ploča, ε O- električna konstanta, S- površina ploča kondenzatora, d- razmak između ploča.

Parametar dielektrične konstante uzima se u obzir pri razvoju štampanih ploča. Vrijednost dielektrične konstante tvari između slojeva, u kombinaciji s njegovom debljinom, utječe na vrijednost prirodnog statičkog kapaciteta energetskih slojeva, a značajno utječe i na karakterističnu impedanciju provodnika na ploči.

OTPOR električni, fizička veličina jednaka električnom otporu ( cm. ELEKTRIČNA OTPORNOST) R cilindričnog vodiča jedinične dužine (l = 1 m) i jedinične površine poprečnog presjeka (S = 1 m 2).. r = R S/l. U Si, jedinica otpornosti je Ohm. m Otpornost se takođe može izraziti u Ohmima. cm Otpornost je karakteristika materijala kroz koji teče struja i zavisi od materijala od kojeg je napravljena. Otpor jednak r = 1 Ohm. m znači da cilindrični vodič od ovog materijala, dužine l = 1 m i površine poprečnog presjeka S = 1 m 2 ima otpor R = 1 Ohm. m Vrijednost otpornosti metala (. cm. METALI), koji su dobri provodnici ( cm. KONDUKTORI), može imati vrijednosti reda od 10 - 8 - 10 - 6 Ohma. m (na primjer, bakar, srebro, željezo, itd.). Otpornost nekih čvrstih dielektrika ( cm. DIELECTRICS) može doseći vrijednost od 10 16 -10 18 Ohm.m (na primjer, kvarcno staklo, polietilen, elektroporcelan, itd.). Vrijednost otpornosti mnogih materijala (posebno poluvodičkih materijala ( cm. POLUVODIČKI MATERIJALI)) značajno zavisi od stepena njihovog prečišćavanja, prisustva legirajućih aditiva, termičke i mehaničke obrade itd. Vrednost s, recipročna otpora, naziva se specifična provodljivost: s = 1/r Specifična provodljivost se meri u simensu ( cm. SIEMENS (jedinica za provodljivost)) po metru S/m. Električna otpornost (provodljivost) je skalarna veličina za izotropnu supstancu; i tenzor - za anizotropnu supstancu. U anizotropnim monokristalima, anizotropija električne provodljivosti je posljedica anizotropije inverzne efektivne mase ( cm. EFEKTIVNA MASA) elektroni i rupe.

1-6. ELEKTRIČNA VODLJIVOST IZOLACIJE

Kada je izolacija kabla ili žice uključena na konstantan napon U, kroz nju prolazi struja i koja se menja tokom vremena (Sl. 1-3). Ova struja ima konstantne komponente - struju provodljivosti (i ∞) i struju apsorpcije, gdje je γ provodljivost koja odgovara struji apsorpcije; T je vrijeme tokom kojeg struja i abs pada na 1/e svoje prvobitne vrijednosti. Beskonačno dugo vremena i abs →0 i i = i ∞. Električna vodljivost dielektrika objašnjava se prisutnošću u njima određene količine slobodnih nabijenih čestica: iona i elektrona.

Najkarakterističnija karakteristika većine električnih izolacijskih materijala je jonska električna provodljivost, koja je moguća zbog zagađivača neizbježno prisutnih u izolaciji (nečistoće vlage, soli, alkalija, itd.). U dielektriku sa jonskom provodljivošću strogo se poštuje Faradejev zakon - proporcionalnost između količine električne energije koja prolazi kroz izolaciju i količine supstance koja se oslobađa tokom elektrolize.

Kako temperatura raste, otpor električnih izolacijskih materijala opada i karakterizira ga formula

gdje su_ρ o, A i B konstante za dati materijal; T - temperatura, °K.

Veća ovisnost otpora izolacije od vlage javlja se kod higroskopnih izolacijskih materijala, uglavnom vlaknastih (papir, pamučna pređa, itd.). Stoga se vlaknasti materijali suše i impregniraju, kao i štite školjkama otpornim na vlagu.

Otpor izolacije može se smanjiti s povećanjem napona zbog stvaranja prostornih naboja u izolacijskim materijalima. Dodatna elektronska provodljivost stvorena u ovom slučaju dovodi do povećanja električne provodljivosti. Postoji zavisnost provodljivosti od napona u veoma jakim poljima (Ya. I. Frenkelov zakon):

gdje je γ o - provodljivost u slabim poljima; a je konstantna. Sve električne izolacijske materijale karakteriziraju određene vrijednosti izolacijske provodljivosti G. U idealnom slučaju, provodljivost izolacijskih materijala je nula. Za prave izolacione materijale, provodljivost po jedinici dužine kabla određena je formulom

U kablovima sa izolacionim otporom većim od 3-10 11 ohm-m i komunikacionim kablovima, gde su gubici dielektrične polarizacije znatno veći od toplotnih gubitaka, provodljivost se određuje po formuli

Provodljivost izolacije u komunikacijskoj tehnologiji je električni parametar vodova koji karakterizira gubitak energije u izolaciji jezgri kabela. Zavisnost vrijednosti provodljivosti o frekvenciji prikazana je na Sl. 1-1. Recipročna vrijednost provodljivosti, otpor izolacije, je omjer istosmjernog napona primijenjenog na izolaciju (u voltima) i napona curenja (u amperima), tj.

gdje je R V volumetrijski izolacijski otpor, koji numerički određuje prepreku nastalu prolaskom struje kroz debljinu izolacije; R S - površinski otpor, koji određuje prepreku prolazu struje duž površine izolacije.

Praktična procjena kvaliteta upotrijebljenih izolacijskih materijala je specifični volumetrijski otpor ρ V izražen u ohm-centimetrima (ohm*cm). Numerički, ρ V je jednako otporu (u omima) kocke sa ivicom od 1 cm od datog materijala, ako struja prolazi kroz dvije suprotne strane kocke. Specifični površinski otpor ρ S je numerički jednak površinskom otporu kvadrata (u omima) ako se struja dovodi do elektroda koje graniče dvije suprotne strane ovog kvadrata.

Otpor izolacije jednožilnog kabela ili žice određuje se formulom

Vlažnostna svojstva dielektrika

Otpornost na vlagu - ovo je pouzdanost izolacije kada je u atmosferi vodene pare blizu zasićenja. Otpornost na vlagu se ocjenjuje promjenama električnih, mehaničkih i drugih fizičkih svojstava nakon što je materijal u atmosferi visoke i visoke vlažnosti; na vlagu i vodopropusnost; na vlagu i upijanje vode.

Propustljivost vlage - sposobnost materijala da propušta paru vlage u prisustvu razlike u relativnoj vlažnosti zraka na obje strane materijala.

Apsorpcija vlage - sposobnost materijala da upija vodu kada je dugo izložen u vlažnoj atmosferi blizu stanja zasićenja.

Apsorpcija vode - sposobnost materijala da apsorbira vodu kada je dugo uronjen u vodu.

Tropska otpornost i tropska pojava oprema – zaštita električne opreme od vlage, plijesni, glodara.

Toplinska svojstva dielektrika

Za karakterizaciju termičkih svojstava dielektrika koriste se sljedeće veličine.

Otpornost na toplotu– sposobnost električnih izolacijskih materijala i proizvoda da izdrže visoke temperature i nagle promjene temperature bez štete po njih. Određeno temperaturom na kojoj se uočava značajna promjena mehaničkih i električnih svojstava, na primjer, deformacija zatezanja ili savijanja pod opterećenjem počinje u organskim dielektricima.

Toplotna provodljivost– proces prenosa toplote u materijalu. Karakterizira ga eksperimentalno utvrđen koeficijent toplinske provodljivosti λ t λ t je količina topline koja se prenosi u jednoj sekundi kroz sloj materijala debljine 1 m i površine od 1 m 2 s temperaturnom razlikom između površina. sloj od 1 °K. Koeficijent toplinske provodljivosti dielektrika varira u širokom rasponu. Najniže vrijednosti λ t imaju plinovi, porozni dielektrici i tekućine (za zrak λ t = 0,025 W/(m K), za vodu λ t = 0,58 W/(m K)), kristalni dielektrici imaju visoke vrijednosti (za kristalni kvarc λ t = 12,5 W/(m K)). Koeficijent toplinske provodljivosti dielektrika ovisi o njihovoj strukturi (za topljeni kvarc λ t = 1,25 W/(m K)) i temperaturi.

Toplotna ekspanzija dielektrici se procjenjuju temperaturnim koeficijentom linearnog širenja: . Materijali s niskim toplinskim širenjem u pravilu imaju veću toplinsku otpornost i obrnuto. Toplotno širenje organskih dielektrika značajno (desetine i stotine puta) premašuje ekspanziju neorganskih dielektrika. Zbog toga je dimenzionalna stabilnost dijelova izrađenih od neorganskih dielektrika pri temperaturnim fluktuacijama znatno veća u odnosu na organske.

1. Apsorpcione struje

Apsorpcione struje su struje pomaka različitih tipova spore polarizacije. Apsorpcione struje pri konstantnom naponu teku u dielektriku dok se ne uspostavi ravnotežno stanje, mijenjajući svoj smjer kada se napon uključi i isključi. Sa naizmjeničnim naponom, apsorpcione struje teku tijekom cijelog vremena dok je dielektrik u električnom polju.

Općenito, električna struja j u dielektriku je zbir prolazne struje j sk i struja apsorpcije j ab

j = j sk + j ab.

Struja apsorpcije se može odrediti kroz struju pristrasnosti j cm - brzina promjene vektora električne indukcije D

Prolazna struja je određena prijenosom (kretanjem) različitih nosilaca naboja u električnom polju.

2. Electronic električnu provodljivost karakteriše kretanje elektrona pod uticajem polja. Osim u metalima, prisutan je u ugljiku, metalnim oksidima, sulfidima i drugim tvarima, kao i u mnogim poluvodičima.

3. jonski – uzrokovano kretanjem jona. Uočava se u otopinama i topljenjima elektrolita - soli, kiselina, lužina, kao i u mnogim dielektricima. Dijeli se na intrinzičnu i nečistoću provodljivost. Intrinzična provodljivost je zbog kretanja jona dobijenih tokom disocijacije molekule. Kretanje jona u električnom polju je praćeno elektrolizom – prijenos tvari između elektroda i njeno oslobađanje na elektrodama. Polarne tekućine su više disocirane i imaju veću električnu provodljivost od nepolarnih tekućina.

U nepolarnim i slabo polarnim tekućim dielektricima (mineralna ulja, silikonske tekućine) električnu provodljivost određuju nečistoće.

4. Molion električna provodljivost – uzrokovano kretanjem nabijenih čestica tzv molions. Uočava se u koloidnim sistemima, emulzijama , suspenzije . Kretanje moliona pod uticajem električnog polja naziva se elektroforeza. Tokom elektroforeze, za razliku od elektrolize, ne nastaju nove supstance; Elektroforetska provodljivost se opaža, na primjer, u uljima koja sadrže emulgiranu vodu.

Svaka tvar ili tijelo koje nas okružuje ima određena električna svojstva. To se objašnjava molekularnom i atomskom strukturom: prisustvom nabijenih čestica koje su u međusobno vezanom ili slobodnom stanju.

Kada na supstancu ne djeluje vanjsko električno polje, te se čestice raspoređuju na takav način da se međusobno uravnotežuju i ne stvaraju dodatno električno polje u cijelom volumenu. U slučaju vanjske primjene električne energije dolazi do preraspodjele naboja unutar molekula i atoma, što dovodi do stvaranja vlastitog unutrašnjeg električnog polja, usmjerenog suprotno vanjskom.

Ako se vektor primijenjenog vanjskog polja označi sa “E0”, a unutrašnje polje sa “E”, tada će ukupno polje “E” biti zbir energije ove dvije veličine.

U elektricitetu je uobičajeno podijeliti tvari na:

provodnici;

dielektrika.

Ova klasifikacija postoji dugo vremena, iako je prilično proizvoljna jer mnoga tijela imaju druga ili kombinovana svojstva.

Dirigenti

Mediji koji imaju besplatne naknade djeluju kao dirigenti. Metali najčešće djeluju kao provodnici, jer njihova struktura uvijek sadrži slobodne elektrone, koji se mogu kretati u cijelom volumenu tvari i istovremeno sudionici toplinskih procesa.

Kada je provodnik izoliran od djelovanja vanjskih električnih polja, u njemu se stvara ravnoteža pozitivnih i negativnih naboja iz ionskih rešetki i slobodnih elektrona. Ova ravnoteža se odmah nakon primjene ruši – zahvaljujući čijoj energiji počinje preraspodjela nabijenih čestica i na vanjskoj površini se pojavljuju neuravnoteženi naboji pozitivnih i negativnih veličina.

Ovaj fenomen se obično naziva elektrostatička indukcija. Naelektrisanja koja nastaju na površini metala nazivaju se indukcijskih naboja.

Induktivna naelektrisanja formirana u provodniku formiraju sopstveno polje E, kompenzujući efekat spoljašnjeg E0 unutar provodnika, dakle, vrednost ukupnog, ukupnog elektrostatičkog polja je kompenzovana i jednaka je 0. U ovom slučaju, potencijali svih tačaka. i iznutra i spolja su isti.

Rezultirajući zaključak ukazuje da unutar provodnika, čak i sa spojenim vanjskim poljem, nema razlike potencijala i elektrostatičkih polja. Ova činjenica se koristi u zaštiti - primjeni metode elektrostatičke zaštite ljudi i električne opreme osjetljive na indukovana polja, posebno visokopreciznih mjernih instrumenata i mikroprocesorske opreme.

Zaštićena odjeća i obuća od tkanina sa provodljivim nitima, uključujući pokrivala za glavu, koriste se u energetskom sektoru za zaštitu osoblja koje radi u uvjetima povećane napetosti koju stvara visokonaponska oprema.

Dielektrici

Ovo je naziv za supstance koje imaju izolaciona svojstva. Oni sadrže samo međusobno povezane naknade, a ne besplatne naknade. Za njih se sve pozitivne i negativne čestice drže zajedno unutar neutralnog atoma i lišene su slobode kretanja. Oni su raspoređeni unutar dielektrika i ne pomiču se pod djelovanjem primijenjenog vanjskog polja E0.

Međutim, njegova energija i dalje uzrokuje određene promjene u strukturi tvari - unutar atoma i molekula mijenja se omjer pozitivnih i negativnih čestica, a na površini viška tvari pojavljuju se neuravnoteženi vezani naboji koji tvore unutarnje električno polje E. Usmjeren je suprotno naponu primijenjenom spolja.

Ovaj fenomen se zove dielektrična polarizacija. Karakterizira ga činjenica da se unutar supstance pojavljuje električno polje E, nastalo djelovanjem vanjske energije E0, ali oslabljeno protudjelovanjem unutrašnjeg E."

Vrste polarizacije

Unutar dielektrika ima dvije vrste:

1. orijentacija;

2. elektronski.

Prvi tip ima dodatno ime dipolna polarizacija. To je svojstveno dielektricima sa pomaknutim centrima negativnih i pozitivnih naboja, koji formiraju molekule iz mikroskopskih dipola - neutralne kombinacije dvaju naboja. To je tipično za vodu, dušikov dioksid i vodonik sulfid.

Bez djelovanja vanjskog električnog polja, molekularni dipoli takvih tvari su orijentirani na haotičan način pod utjecajem postojećih temperaturnih procesa. U ovom slučaju, u bilo kojoj tački unutrašnjeg volumena i na vanjskoj površini dielektrika nema električnog naboja.

Ova slika se menja pod uticajem spoljašnje primenjene energije, kada dipoli blago promene svoju orijentaciju i na površini se pojavljuju oblasti nekompenzovanih makroskopskih vezanih naelektrisanja, formirajući polje E" u suprotnom smeru od primenjenog E0.

Sa takvom polarizacijom, temperatura ima veliki uticaj na procese, izazivajući toplotno kretanje i stvarajući dezorijentišuće ​​faktore.

Elektronska polarizacija, elastični mehanizam

Manifestuje se u nepolarnim dielektricima - materijalima drugačijeg tipa sa molekulama lišenim dipolnog momenta, koji se pod uticajem spoljašnjeg polja deformišu tako da su pozitivni naboji orijentisani u pravcu vektora E0, a negativni naboji su orijentisani u suprotnom smeru.

Kao rezultat, svaki od molekula djeluje kao električni dipol, orijentiran duž ose primijenjenog polja. Na taj način stvaraju vlastito polje E" na vanjskoj površini u suprotnom smjeru.

U takvim supstancama deformacija molekula, a samim tim i polarizacija od utjecaja vanjskog polja ne ovisi o njihovom kretanju pod utjecajem temperature. Primjer nepolarnog dielektrika je metan CH4.

Numerička vrijednost unutrašnjeg polja oba tipa dielektrika u početku se mijenja u direktnoj proporciji sa povećanjem vanjskog polja, a zatim, kada se postigne zasićenje, pojavljuju se nelinearni efekti. Nastaju kada su svi molekularni dipoli poređani duž linija polja polarnih dielektrika ili su se dogodile promjene u strukturi nepolarne tvari uslijed jake deformacije atoma i molekula od velike vanjske primijenjene energije.

U praksi se takvi slučajevi rijetko događaju - obično prvi dođe do kvara ili kvara izolacije.

Dielektrična konstanta

Među izolacijskim materijalima važnu ulogu imaju električne karakteristike i indikatori kao npr dielektrična konstanta. Može se procijeniti prema dvije različite karakteristike:

1. apsolutna vrijednost;

2. relativna veličina.

Pojam apsolutna dielektrična konstanta supstance εa se koriste kada se poziva na matematičku notaciju Coulombovog zakona. On u obliku koeficijenta εa povezuje vektor indukcije D i napetost E.

Prisjetimo se da je francuski fizičar Charles de Coulomb, koristeći svoje torzijske vage, proučavao obrasce električnih i magnetskih sila između malih nabijenih tijela.

Određivanje relativne dielektrične konstante medija koristi se za karakterizaciju izolacijskih svojstava tvari. On procjenjuje omjer sile interakcije između dva točkasta naboja pod dva različita uslova: u vakuumu i u radnom okruženju. U ovom slučaju, indikatori vakuuma se uzimaju kao 1 (εv=1), a za stvarne supstance su uvijek veći, εr>1.

Numerički izraz εr se prikazuje kao bezdimenzionalna veličina, objašnjava se efektom polarizacije dielektrika i koristi se za procjenu njihovih karakteristika.

Vrijednosti dielektrične konstante za pojedinačne medije(na sobnoj temperaturi)

Električna propusnost

Električna permitivnost je vrijednost koja karakterizira kapacitivnost dielektrika smještenog između ploča kondenzatora. Kao što je poznato, kapacitet ravnog kondenzatora zavisi od površine ploča (što je veća površina ploča, to je veći kapacitet), udaljenosti između ploča ili debljine dielektrika (što je deblji). dielektrika, to je manji kapacitet), kao i na materijalu dielektrika čija je karakteristika električna konstanta.

Numerički, električna permitivnost je jednaka omjeru kapacitivnosti kondenzatora sa bilo kojim dielektrikom istog zračnog kondenzatora. Za stvaranje kompaktnih kondenzatora potrebno je koristiti dielektrike s visokom električnom permitivnošću. Električna permitivnost većine dielektrika je nekoliko jedinica.

U tehnologiji su dobijeni dielektrici visoke i ultra-visoke električne permeabilnosti. Njihov glavni dio je rutil (titan dioksid).

Slika 1. Električna propusnost medija

Ugao dielektričnog gubitka

U članku "Dielektrici" pogledali smo primjere uključivanja dielektrika u DC i AC kola. Pokazalo se da se u pravom dielektriku, kada radi u električnom polju formiranom izmjeničnim naponom, oslobađa toplinska energija. U ovom slučaju apsorbirana snaga naziva se dielektrični gubici. U članku “Kolo naizmjenične struje koje sadrži kapacitivnost” će se dokazati da u idealnom dielektriku kapacitivna struja vodi napon za ugao manji od 90°. U pravom dielektriku, kapacitivna struja vodi napon pod uglom manjim od 90°. Na smanjenje ugla utiče struja curenja, inače nazvana struja provodljivosti.

Razlika između 90° i kuta pomaka između napona i struje koji prolaze u kolu sa pravim dielektrikom naziva se kut gubitka dielektrika ili kut gubitka i označava se δ (delta). Češće nije određen sam ugao, već tangenta ovog ugla -tan δ.

Utvrđeno je da su dielektrični gubici proporcionalni kvadratu napona, frekvenciji naizmjenične struje, kapacitivnosti kondenzatora i tangentu ugla dielektričnog gubitka.

Posljedično, što je veći tangent dielektričnog gubitka, tan δ, što je veći gubitak energije u dielektriku, to je dielektrični materijal lošiji. Materijali sa relativno velikim tg δ (reda 0,08 - 0,1 ili više) su loši izolatori. Materijali sa relativno malim tan δ (oko 0,0001) su dobri izolatori.