Заряди взаємодіють один з одним у різних середовищах із різною силою, яка визначається законом Кулона. Властивості цих середовищ визначає величина, яка називається діелектричною проникністю.
Що таке діелектрична проникність
Відповідно до закону Кулона, два точкові нерухомі заряди q1 і q2 у вакуумі взаємодіють між собою з силою, заданою формулою Fкл=((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), де:
- Fкл - сила Кулона, Н;
- q1, q2 - модулі зарядів, Кл;
- r – відстань між зарядами, м;
- ε0 – електрична стала, 8,85*10-12 Ф/м (Фарад на метр).
- F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Ця величина позначається грецькою буквою ε (епсілон), вона безрозмірна (не має одиниці виміру). Діелектрична проникність є коефіцієнтом ослаблення взаємодії зарядів у речовині.
Часто у фізиці діелектрична проникність використовується спільно з постійною електричною, в цьому випадку зручно ввести поняття абсолютної діелектричної проникності. Вона позначається εa і дорівнює εa=ε*ε. І тут абсолютна проникність має розмірність Ф/м. Звичайну проникність також називають відносною, щоб відрізнити її від εa.
Природа діелектричної проникності
У основі природи діелектричної проникності лежить явище поляризації під впливом електричного поля. Більшість речовин загалом електрично нейтральні, хоч і містять заряджені частинки. Ці частинки розташовані в масі речовини хаотично та їх електричні поля в середньому нейтралізують одна одну.
У діелектриках перебувають, переважно пов'язані заряди (їх називають диполями). Ці диполі умовно являють собою зв'язки з двох різноїменних частинок, які за товщиною діелектрика орієнтовані спонтанно і в середньому створюють нульову напруженість електричного поля. Під дією зовнішнього поля диполі прагнуть зорієнтуватися згідно з прикладеною силою. Внаслідок цього створюється додаткове електричне поле. Подібні явища відбуваються і неполярних діелектриках.
У провідниках процеси схожі, тільки там є вільні заряди, які під дією зовнішнього поля поділяються і створюють власне електричне поле. Це поле спрямоване назустріч зовнішньому, екранує заряди та знижує силу їхньої взаємодії. Чим більша здатність речовини до поляризації, тим вища ε.
Діелектрична проникність різних речовин
Різні речовини мають різну діелектричну проникність. Значення для деяких з них наведено в таблиці 1. Очевидно, що ці значення більше одиниці, тому взаємодія зарядів, порівняно з вакуумом, завжди зменшується. Також треба зауважити, що для повітря ε трохи більше одиниці, тому взаємодія зарядів у повітрі практично не відрізняється від взаємодії у вакуумі.
Таблиця. Значення електричної проникності різних речовин.
| Речовина | Діелектрична проникність |
|---|---|
| Бакеліт | 4,5 |
| Папір | 2,0..3,5 |
| Вода | 81 (при +20 град.С) |
| Повітря | 1,0002 |
| Германій | 16 |
| Гетінакс | 5..6 |
| Дерево | 2,7..7,5 (Різні сорти) |
| Кераміка радіотехнічна | 10..200 |
| Слюда | 5,7..11,5 |
| Скло | 7 |
| Текстоліт | 7,5 |
| Полістирол | 2,5 |
| Поліхлорвініл | 3 |
| Фторопласт | 2,1 |
| Бурштин | 2,7 |
Діелектрична проникність та ємність конденсатора
Якщо треба отримати конденсатор підвищеної ємності, збільшення площі обкладок веде до збільшення габаритів. На зменшення відстані між електродами є практичні обмеження. У цьому випадку може допомогти застосування ізолятора зі збільшеною діелектричною проникністю. Якщо застосувати матеріал з вищим ε, можна кратно зменшити розмір обкладок або збільшити відстань між ними без втрат електричної ємності.
В окрему категорію виділяють речовини, які називаються сегнетоелектриками, у яких за певних умов виникає спонтанна поляризація. У даній області для них характерні два моменти:
- великі значення діелектричної проникності (характерні значення – від сотень до кількох тисяч);
- можливість керувати величиною діелектричної проникності шляхом зміни зовнішнього електричного поля
Ці властивості використовуються для виготовлення конденсаторів великої ємності (за рахунок збільшення значення діелектричної проникності ізолятора) з невеликими масогабаритними показниками.
Такі пристрої працюють тільки в низькочастотних ланцюгах змінного струму – при збільшенні частоти їхня діелектрична проникність падає. Інше застосування сегнетоелектриків - конденсатори змінної ємності, чиї характеристики змінюються під дією прикладеного електричного поля з параметрами, що змінюються.
Діелектрична проникність та втрати в діелектриці
Також від значення діелектричної проникності залежать втрати в діелектриці - це частина енергії, яка втрачається в діелектриці на його нагрівання. Для опису цих втрат зазвичай застосовується параметр tg - тангенс кута діелектричних втрат. Він характеризує потужність діелектричних втрат у конденсаторі, у якого діелектрик виготовлений з матеріалу з наявним tg. А питома потужність втрат кожної речовини визначається формулою p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, де:
- p - Питома потужність втрат, Вт;
- ώ=2*π*f – кругова частота електричного поля;
- E – напруженість електричного поля, В/м.
Очевидно, що чим вище діелектрична проникність, тим вищі втрати в діелектриці за інших рівних умов.
Залежність діелектричної проникності від сторонніх факторів
Слід зазначити, що значення діелектричної проникності залежить від частоти електричного поля (у разі – від частоти напруги, прикладеного до обкладок). Зі зростанням частоти значення у багатьох речовин падає. Цей ефект яскраво виражений для полярних діелектриків. Пояснити це явище можна тим, що заряди (диполі) перестають встигати слідувати за полем. У речовин, котрим характерна іонна чи електронна поляризація, залежність діелектричної проникності від частоти мала.
Тому такий важливий підбір матеріалів для виконання діелектрика конденсатора. Те, що працює на низьких частотах, не обов'язково дозволить одержати якісну ізоляцію на високих. Найчастіше на ВЧ як ізолятор застосовують неполярні діелектрики.
Також діелектрична проникність залежить від температури, причому в різних речовин по-різному. У неполярних діелектриків вона падає із зростанням температури. У цьому випадку для конденсаторів, виконаних із застосуванням такого ізолятора, говорять про негативний температурний коефіцієнт ємності (ТКЕ) – ємність із зростанням температури падає слідом за ε. В інших речовин проникність із зростанням температури збільшується, і можна отримати конденсатори із позитивним ТКЕ. Включивши в пару конденсатори із протилежними ТКЕ, можна отримати термостабільну ємність.
Розуміння сутності та знання значення діелектричної проникності різних речовин важливе для практичних цілей. А можливість керувати рівнем діелектричної проникності надає додаткові технічні перспективи.
СХОЖІ СТАТТІ:
- Що таке електрична ємність, у чому вимірюється і чого залежить
- Закон Кулона простими словами
- У чому відмінність провідників від діелектриків, їх властивості та сфера застосування