Co to jest stała dielektryczna

Każda otaczająca nas substancja lub ciało ma określone właściwości elektryczne. Wynika to z budowy molekularnej i atomowej: obecności naładowanych cząstek w stanie wzajemnie związanym lub wolnym.

Gdy na substancję nie działa żadne zewnętrzne pole elektryczne, cząstki te rozkładają się w taki sposób, że równoważą się i nie tworzą dodatkowego pola elektrycznego w całej całkowitej objętości. W przypadku zewnętrznego przyłożenia energii elektrycznej wewnątrz cząsteczek i atomów następuje redystrybucja ładunków, co prowadzi do powstania własnego wewnętrznego pola elektrycznego skierowanego przeciwko zewnętrznemu.

Jeżeli wektor przyłożonego pola zewnętrznego oznaczymy jako „E0”, a wewnętrzny „E”, to całkowite pole „E” będzie sumą energii tych dwóch wielkości.

W elektryczności zwyczajowo dzieli się substancje na:

• druty;

• dielektryki.

Ta klasyfikacja istnieje od dawna, chociaż jest dość arbitralna, ponieważ wiele ciał ma różne lub połączone właściwości.

Przewody

Przewoźnicy, którzy mają wolne ładunki, są wykorzystywani jako konduktorzy.Najczęściej metale działają jak przewodniki, ponieważ w ich strukturze zawsze obecne są wolne elektrony, które mogą poruszać się w całej objętości substancji, a jednocześnie uczestniczą w procesach termicznych.

Kiedy przewodnik jest odizolowany od działania zewnętrznych pól elektrycznych, powstaje w nim równowaga ładunków dodatnich i ujemnych z sieci jonowych i swobodnych elektronów. Ta równowaga jest natychmiast niszczona, gdy przewodnik w polu elektrycznym — ze względu na energię, przy której rozpoczyna się redystrybucja naładowanych cząstek i na zewnętrznej powierzchni pojawiają się niezrównoważone ładunki o wartościach dodatnich i ujemnych.

Zjawisko to jest zwykle nazywane indukcja elektrostatyczna... Ładunki, które ładuje na powierzchni metali, nazywane są ładunkami indukcyjnymi.

Ładunki indukcyjne powstające w przewodniku tworzą pole własne E', które kompensuje wpływ zewnętrznego E0 wewnątrz przewodnika. Dlatego wartość całkowitego, całkowitego pola elektrostatycznego jest kompensowana i równa 0. W tym przypadku potencjały wszystkich punktów zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz są takie same.

Z uzyskanego wniosku wynika, że ​​wewnątrz przewodnika, nawet przy podłączonym polu zewnętrznym, nie ma różnicy potencjałów ani pól elektrostatycznych. Fakt ten jest wykorzystywany w ekranowaniu — zastosowaniu metody ochrony elektrostatycznej ludzi i urządzeń elektrycznych wrażliwych na pola indukowane, zwłaszcza precyzyjnych przyrządów pomiarowych i techniki mikroprocesorowej.

Odzież i obuwie ekranowane wykonane z tkanin z nitkami przewodzącymi, w tym nakrycia głowy, stosowane są w elektryczności do ochrony personelu pracującego w warunkach podwyższonego napięcia wytwarzanego przez urządzenia wysokiego napięcia.

Dielektryki

Jest to nazwa substancji, które mają właściwości izolujące. Zawierają tylko powiązane opłaty, a nie gratisy. Wszystkie mają dodatnie i ujemne cząstki związane w neutralnym atomie, pozbawionym swobody ruchu. Są one rozmieszczone wewnątrz dielektryka i nie poruszają się pod wpływem przyłożonego pola zewnętrznego E0.

Jednak jego energia nadal powoduje pewne zmiany w strukturze substancji — wewnątrz atomów i cząsteczek zmienia się stosunek cząstek dodatnich i ujemnych, a na powierzchni substancji pojawiają się nadmierne, niezrównoważone ładunki towarzyszące, tworzące wewnętrzne pole elektryczne E '. Jest skierowany przeciwko naprężeniu stosowanemu z zewnątrz.

Nazywa się to zjawisko polaryzacja dielektryczna... Charakteryzuje się tym, że wewnątrz substancji pojawia się pole elektryczne E, utworzone w wyniku działania energii zewnętrznej E0, ale osłabione przez opozycję wewnętrznej E '.

Rodzaje polaryzacji

Jest dwojakiego rodzaju wewnątrz dielektryków:

1. orientacja;

2. elektroniczny.

Pierwszy typ ma dodatkową nazwę polaryzacji dipolowej. Jest to charakterystyczne dla dielektryków z przesuniętymi centrami przy ładunkach ujemnych i dodatnich, które tworzą cząsteczki mikroskopijnych dipoli — neutralny zestaw dwóch ładunków. Jest to charakterystyczne dla wody, dwutlenku azotu, siarkowodoru.

Bez działania zewnętrznego pola elektrycznego dipole molekularne takich substancji pod wpływem procesów zachodzących w temperaturze roboczej orientują się chaotycznie. Jednocześnie w żadnym punkcie wewnętrznej objętości i na zewnętrznej powierzchni dielektryka nie ma ładunku elektrycznego.

Obraz ten zmienia się pod wpływem energii przyłożonej z zewnątrz, gdy dipole nieznacznie zmieniają swoją orientację i na powierzchni pojawiają się obszary nieskompensowanych makroskopowo związanych ładunków, tworząc pole E' o kierunku przeciwnym do przyłożonego E0.

Przy takiej polaryzacji temperatura ma ogromny wpływ na procesy, powodując ruch termiczny i tworząc czynniki dezorientujące.

Polaryzacja elektronowa, mechanizm elastyczny

Przejawia się to w dielektrykach niespolaryzowanych — materiałach innego typu z cząsteczkami pozbawionymi momentu dipolowego, które pod wpływem pola zewnętrznego odkształcają się tak, że ładunki dodatnie są zorientowane w kierunku wektora E0, oraz ładunki ujemne są zorientowane w przeciwnym kierunku.

W rezultacie każda z cząsteczek działa jak dipol elektryczny zorientowany wzdłuż osi przyłożonego pola. Tworzą w ten sposób na zewnętrznej powierzchni swoje pole E' o przeciwnym kierunku.

W takich substancjach odkształcenie cząsteczek, a tym samym polaryzacja pod wpływem pola zewnętrznego, nie zależy od ich ruchu pod wpływem temperatury. Jako przykład dielektryka niespolaryzowanego można podać metan CH4.

Wartość liczbowa pola wewnętrznego obu rodzajów dielektryków najpierw zmienia się wielkościowo wprost proporcjonalnie do wzrostu pola zewnętrznego, a następnie, po osiągnięciu nasycenia, pojawiają się efekty nieliniowe. Powstają, gdy wszystkie dipole molekularne układają się wzdłuż linii działania polarnych dielektryków lub gdy nastąpiły zmiany w strukturze materii niespolaryzowanej, na skutek silnego odkształcenia atomów i cząsteczek przez dużą energię przyłożoną z zewnątrz.

W praktyce takie przypadki są rzadkie — zwykle awaria lub awaria izolacji następuje wcześniej.

Stała dielektryczna

Wśród materiałów izolacyjnych ważną rolę odgrywają właściwości elektryczne i takie wskaźniki jak stała dielektryczna... Można to zmierzyć za pomocą dwóch różnych cech:

1. wartość bezwzględna;

2. wartość względna.

Termin absolutna stała dielektryczna εa jest używany w odniesieniu do zapisu matematycznego prawa Coulomba. Łączy on w postaci współczynnika εα wektory indukcji D i natężenia E.

Przypomnijmy, że francuski fizyk Charles de Coulomb, używając własnej wagi torsyjnej, badał prawa sił elektrycznych i magnetycznych między małymi naładowanymi ciałami.

Określenie względnej przepuszczalności ośrodka służy do scharakteryzowania właściwości izolacyjnych substancji. Oszacowuje stosunek siły oddziaływania między dwoma ładunkami punktowymi w dwóch różnych warunkach: w próżni iw środowisku pracy. W tym przypadku wskaźniki próżni przyjmuje się jako 1 (εv = 1), podczas gdy dla substancji rzeczywistych są one zawsze wyższe, εr> 1.

Wyrażenie liczbowe εr jest pokazane jako bezwymiarowa wielkość wyjaśniona efektem polaryzacji w dielektrykach i służy do oceny ich właściwości.

Wartości stałych dielektrycznych poszczególnych mediów (w temperaturze pokojowej)

Substancja ε Substancja ε Segnet 6000 Diament 5,7 Rutyl (na osi optycznej) 170 Woda 81 Polietylen 2,3 Etanol 26,8 Krzem 12,0 Mika 6 Zlewka szklana 5-16 Dwutlenek węgla 1,00099 NaCl 5,26 Para wodna 1,0126 Benzen 2,322 Powietrze (760 mmHg) 1.00057