Permeabilitas Listrik
Permitivitas listrik adalah nilai yang mencirikan kapasitansi dielektrik yang ditempatkan di antara pelat kapasitor. Seperti yang Anda ketahui, kapasitansi kapasitor datar tergantung pada ukuran luas pelat (semakin besar luas pelat, semakin besar kapasitansi), jarak antar pelat atau ketebalan dielektrik. (semakin tebal dielektrik, semakin rendah kapasitansi), begitu juga pada bahan dielektrik yang karakteristiknya adalah permeabilitas listrik.
Secara numerik, permeabilitas listrik sama dengan rasio kapasitansi kapasitor untuk setiap dielektrik dari kapasitor udara yang sama. Untuk membuat kapasitor kompak, perlu menggunakan dielektrik dengan permeabilitas listrik yang tinggi. Permitivitas listrik sebagian besar dielektrik adalah beberapa unit.
Dalam teknologi, dielektrik dengan permeabilitas listrik tinggi dan sangat tinggi telah diperoleh. Bagian utama mereka adalah rutil (titanium dioksida).
Gambar 1. Permeabilitas listrik media
Sudut kehilangan dielektrik
Dalam artikel "Dielektrik" kami menganalisis contoh penyertaan dielektrik dalam rangkaian arus searah dan bolak-balik. Ternyata ketika dielektrik nyata bekerja di medan listrik yang dibentuk oleh tegangan bolak-balik, energi panas dilepaskan. Daya yang diserap dalam hal ini disebut rugi-rugi dielektrik. Dalam artikel "Rangkaian AC yang mengandung kapasitansi" akan dibuktikan bahwa dalam dielektrik ideal, arus kapasitif memimpin tegangan dengan sudut kurang dari 90°. Dalam dielektrik nyata, arus kapasitif memimpin tegangan dengan sudut kurang dari 90 °. Penurunan sudut dipengaruhi oleh arus bocor, atau disebut arus konduksi.
Selisih antara 90° dan pergeseran sudut antara tegangan dan arus yang mengalir pada rangkaian dengan dielektrik nyata disebut sudut rugi dielektrik atau sudut rugi dan dilambangkan (delta). Lebih sering, bukan sudut itu sendiri yang ditentukan, tetapi garis singgung dari sudut ini -tg .
Telah ditetapkan bahwa rugi-rugi dielektrik sebanding dengan kuadrat tegangan, frekuensi AC, kapasitansi kapasitor dan tangen rugi-rugi dielektrik.
Oleh karena itu, semakin besar tangen kerugian dielektrik, tan , semakin besar kehilangan energi dalam dielektrik, semakin buruk bahan dielektrik. Bahan dengan tg yang relatif besar (berurutan 0,08 - 0,1 atau lebih) adalah isolator yang buruk. Bahan dengan tg yang relatif kecil (berurutan 0,0001) adalah isolator yang baik.
Kuliah #19
- Sifat konduktivitas listrik dielektrik gas, cair dan padat
Konstanta dielektrik
Permitivitas relatif, atau permitivitas adalah salah satu parameter listrik makroskopik yang paling penting dari dielektrik. Konstanta dielektrikε secara kuantitatif mencirikan kemampuan dielektrik untuk mempolarisasi dalam medan listrik, dan juga mengevaluasi tingkat polaritasnya; ε adalah konstanta bahan dielektrik pada suhu dan frekuensi tertentu dari tegangan listrik dan menunjukkan berapa kali muatan kapasitor dengan dielektrik lebih besar daripada muatan kapasitor dengan ukuran yang sama dengan ruang hampa.
Konstanta dielektrik menentukan nilai kapasitansi listrik produk (kapasitor, insulasi kabel, dll.). Untuk kapasitansi kapasitor datar DENGAN,, dinyatakan dengan rumus (1)
di mana S adalah luas elektroda pengukur, m 2 ; h adalah tebal bahan dielektrik, m. Dapat dilihat dari rumus (1) bahwa semakin besar nilai ε dielektrik yang digunakan, semakin besar kapasitansi kapasitor dengan dimensi yang sama. Pada gilirannya, kapasitansi listrik C adalah koefisien proporsionalitas antara muatan permukaan QK, akumulasi kapasitor, dan tegangan listrik yang diterapkan padanya
pemintalan U(2):
Dari rumus (2) berikut bahwa muatan listrik QK, diakumulasikan oleh kapasitor sebanding dengan nilai ε dielektrik. Penuh arti QK dimensi igeometrik kapasitor, Anda dapat menentukan ε bahan dielektrik untuk tegangan tertentu.
Pertimbangkan mekanisme pembentukan muatan QK pada elektroda kapasitor dengan dielektrik dan komponen apa yang membentuk muatan ini. Untuk melakukan ini, kami mengambil dua kapasitor datar dengan dimensi geometris yang sama: satu dengan ruang hampa, yang lain dengan ruang interelektroda yang diisi dengan dielektrik, dan menerapkan tegangan yang sama pada mereka. kamu(Gbr. 1). Muatan terbentuk pada elektroda kapasitor pertama Q0, pada elektroda kedua - QK. Pada gilirannya, biaya QK adalah jumlah biaya Q0 dan Q(3):
Mengenakan biaya Q 0 dibentuk oleh medan eksternal E0 dengan mengumpulkan muatan eksternal pada elektroda kapasitor dengan kerapatan permukaan 0 . Q- ini adalah muatan tambahan pada elektroda kapasitor, yang dibuat oleh sumber tegangan listrik untuk mengkompensasi muatan terikat yang terbentuk pada permukaan dielektrik.
Dalam dielektrik terpolarisasi seragam, muatan Q sesuai dengan kerapatan permukaan muatan terikat . Muatan membentuk medan E sz, berlawanan arah dengan medan E O.
Permitivitas dielektrik yang dipertimbangkan dapat direpresentasikan sebagai rasio muatan QK kapasitor diisi dengan dielektrik untuk mengisi Q0 kapasitor yang sama dengan vakum (3):
Dari rumus (3) berikut bahwa permitivitas ε - nilainya tidak berdimensi, dan untuk dielektrik apa pun nilainya lebih besar dari satu; dalam kasus vakum ε = 1. Dari contoh yang dipertimbangkan, juga
dapat dilihat bahwa rapat muatan pada elektroda kapasitor dengan dielektrik masuk ε kali lebih besar dari kerapatan muatan pada elektroda kapasitor dengan vakum, dan intensitas pada tegangan yang sama untuk keduanya
kapasitor mereka sama dan hanya bergantung pada besarnya tegangan kamu dan jarak antara elektroda (E = U/jam).
Selain permitivitas relatif ε membedakan permitivitas mutlak a, f/m, (4)
yang tidak memiliki arti fisik dan digunakan dalam teknik listrik.
Perubahan relatif permitivitas r dengan kenaikan suhu sebesar 1 K disebut koefisien temperatur permitivitas.
TKε = 1/ r d r/dT K-1 Untuk udara pada 20°C TK r = -2.10-6K-
Penuaan listrik dalam feroelektrik dinyatakan sebagai penurunan r seiring waktu. Alasannya adalah penataan ulang domain.
Perubahan yang sangat tajam dalam permitivitas dengan waktu diamati pada suhu yang mendekati titik Curie. Pemanasan feroelektrik ke suhu di atas titik Curie dan pendinginan berikutnya mengembalikan r ke nilai sebelumnya. Pemulihan permitivitas dielektrik yang sama dapat dilakukan dengan memaparkan feroelektrik ke medan listrik dengan intensitas yang meningkat.
Untuk dielektrik kompleks - campuran mekanis dari dua komponen dengan r berbeda dalam pendekatan pertama: rx = 1 r1x r2x, di mana adalah konsentrasi volumetrik komponen campuran, r adalah permitivitas relatif komponen campuran.
Polarisasi dielektrik dapat disebabkan oleh: beban mekanis (piezopolarisasi dalam piezoelektrik); pemanasan (piropolarisasi dalam piroelektrik); cahaya (fotopolarisasi).
Keadaan terpolarisasi dielektrik dalam medan listrik E dicirikan oleh momen listrik per satuan volume, polarisasi , C/m2, yang terkait dengan permitivitas relatifnya misalnya: = e0 (misalnya - 1)Е, di mana e0 = 8.85∙10-12 F / m. Hasil kali e0∙eg =e, F/m, disebut permitivitas mutlak. Dalam dielektrik gas, misalnya sedikit berbeda dari 1,0, dalam cairan dan padat non-polar mencapai 1,5 - 3,0, dalam yang polar memiliki nilai besar; dalam kristal ionik misalnya - 5-MO, dan pada kristal dengan kisi kristal perovskit mencapai 200; di feroelektrik misalnya - 103 dan banyak lagi.
Dalam dielektrik nonpolar, misalnya sedikit menurun dengan meningkatnya suhu, dalam perubahan kutub dikaitkan dengan dominasi satu atau beberapa jenis polarisasi, dalam kristal ionik meningkat, dalam beberapa feroelektrik pada suhu Curie mencapai 104 dan lebih. Perubahan suhu misalnya ditandai dengan koefisien suhu. Untuk dielektrik polar, fitur karakteristik adalah penurunan misalnya dalam rentang frekuensi, di mana waktu t untuk polarisasi sepadan dengan T/2.
Informasi serupa.
Tingkat polarisasi suatu zat ditandai dengan nilai khusus, yang disebut konstanta dielektrik. Mari kita pertimbangkan apa nilai ini.
Mari kita asumsikan bahwa intensitas medan seragam antara dua pelat bermuatan dalam ruang hampa sama dengan E₀. Sekarang mari kita isi celah di antara mereka dengan dielektrik apa pun. yang muncul pada batas antara dielektrik dan konduktor karena polarisasinya, sebagian menetralkan efek muatan pada pelat. Intensitas E dari medan ini akan menjadi kurang dari intensitas E₀.
Pengalaman mengungkapkan bahwa ketika celah antara pelat diisi berturut-turut dengan dielektrik yang sama, besarnya kekuatan medan akan berbeda. Oleh karena itu, mengetahui rasio kuat medan listrik antara pelat tanpa adanya dielektrik E₀ dan dengan adanya dielektrik E, seseorang dapat menentukan polarisabilitasnya, yaitu. konstanta dielektriknya. Nilai ini biasanya dilambangkan dengan huruf Yunani (epsilon). Oleh karena itu, seseorang dapat menulis:
Permitivitas dielektrik menunjukkan berapa kali muatan ini dalam dielektrik (homogen) akan lebih kecil daripada di ruang hampa.
Penurunan gaya interaksi antar muatan disebabkan oleh proses polarisasi medium. Dalam medan listrik, elektron dalam atom dan molekul berkurang dalam kaitannya dengan ion, dan T.e. molekul-molekul yang memiliki momen dipolnya sendiri (khususnya, molekul air) mengorientasikan diri dalam medan listrik. Momen-momen ini menciptakan medan listrik mereka sendiri, yang menentang medan yang menyebabkan mereka muncul. Akibatnya, medan listrik total berkurang. Dalam bidang kecil, fenomena ini dijelaskan dengan menggunakan konsep permitivitas.
Di bawah ini adalah permitivitas dalam ruang hampa berbagai zat:
Udara……………………………….1.0006
Parafin…………………………..2
Plexiglas (plexiglass) …… 3-4
Ebonit……………………………..…4
Porselen……………………………….7
Kaca…………………………..…….4-7
Mika………………………..….4-5
Sutra alami ........... 4-5
Batu tulis..................................6-7
Kuning……………………………………12.8
Air………………………………….81
Nilai konstanta dielektrik zat ini mengacu pada suhu sekitar dalam kisaran 18–20 °C. Dengan demikian, permitivitas padatan sedikit bervariasi dengan suhu, dengan pengecualian feroelektrik.
Sebaliknya, dalam gas, itu berkurang karena peningkatan suhu dan meningkat karena peningkatan tekanan. Dalam praktiknya, itu diambil sebagai satu kesatuan.
Kotoran dalam jumlah kecil memiliki sedikit efek pada tingkat konstanta dielektrik cairan.
Jika dua muatan titik sewenang-wenang ditempatkan dalam dielektrik, maka kuat medan yang diciptakan oleh masing-masing muatan ini di lokasi muatan lainnya berkurang kali. Dari sini dapat disimpulkan bahwa gaya yang dengannya muatan-muatan ini berinteraksi satu sama lain juga kali lebih kecil. Oleh karena itu, untuk muatan yang ditempatkan dalam dielektrik, dinyatakan dengan rumus:
F = (q₁q₂)/(4πԑₐr²),
di mana F adalah gaya interaksi, q₁ dan q₂, adalah besar muatan, adalah permitivitas mutlak medium, r adalah jarak antara muatan titik.
Nilai dapat ditunjukkan secara numerik dalam satuan relatif (berkenaan dengan nilai permitivitas mutlak vakum ). Nilai = /ԑ₀ disebut permitivitas relatif. Ini mengungkapkan berapa kali interaksi antara muatan dalam media homogen tak terbatas lebih lemah daripada di ruang hampa; = /ԑ₀ sering disebut permitivitas kompleks. Nilai numerik dari kuantitas , serta dimensinya, bergantung pada sistem satuan mana yang dipilih; dan nilai tidak bergantung. Jadi, dalam sistem CGSE = 1 (ini adalah satuan dasar keempat); dalam sistem SI, permitivitas vakum dinyatakan sebagai:
= 1/(4π˖9˖10⁹) farad/meter = 8,85˖10⁻¹² f/m (dalam sistem ini, adalah nilai turunan).
PERMITIVITAS DIELEKTRIK, nilai , yang mencirikan polarisasi dielektrik di bawah pengaruh medan listrik kuat E. Konstanta dielektrik termasuk dalam hukum Coulomb sebagai besaran yang menunjukkan berapa kali gaya interaksi dua muatan bebas dalam a dielektrik lebih kecil daripada di ruang hampa. Pelemahan interaksi terjadi karena penyaringan muatan bebas oleh muatan terikat yang terbentuk akibat polarisasi medium. Muatan terikat muncul sebagai akibat dari redistribusi spasial mikroskopis muatan (elektron, ion) dalam media netral secara elektrik secara keseluruhan.
Hubungan antara vektor polarisasi P, kuat medan listrik E dan induksi listrik D dalam medium isotropik dalam sistem satuan SI berbentuk:
dimana 0 adalah konstanta listrik. Permitivitas dielektrik tergantung pada struktur dan komposisi kimia zat, serta pada tekanan, suhu, dan kondisi eksternal lainnya (tabel).
Untuk gas, nilainya mendekati 1, untuk cairan dan padatan bervariasi dari beberapa satuan hingga beberapa puluh, untuk feroelektrik dapat mencapai 10 4 . Penyebaran nilai seperti itu disebabkan oleh mekanisme polarisasi yang berbeda yang terjadi pada dielektrik yang berbeda.
Teori mikroskopis klasik mengarah pada ekspresi perkiraan untuk permitivitas dielektrik nonpolar:
di mana n i adalah konsentrasi atom, ion, atau molekul jenis ke-i, i adalah kemampuan polarisasinya, i adalah apa yang disebut faktor medan internal, karena fitur struktural kristal atau zat. Untuk sebagian besar dielektrik dengan permitivitas berkisar antara 2-8, = 1/3. Biasanya, permitivitas praktis tidak tergantung pada besarnya medan listrik yang diterapkan hingga kerusakan listrik dielektrik. Nilai yang tinggi dari beberapa oksida logam dan senyawa lain disebabkan oleh kekhasan strukturnya, yang memungkinkan, di bawah aksi medan E, perpindahan kolektif subkisi ion positif dan negatif dalam arah yang berlawanan dan pembentukan muatan terikat yang signifikan pada batas kristal.
Proses polarisasi dielektrik ketika medan listrik diberikan tidak berkembang secara instan, tetapi dalam jangka waktu tertentu (waktu relaksasi). Jika medan E berubah dalam waktu t sesuai dengan hukum harmonik dengan frekuensi , maka polarisasi dielektrik tidak memiliki waktu untuk mengikutinya, dan perbedaan fasa muncul antara osilasi P dan E. Ketika menggambarkan osilasi P dan E dengan metode amplitudo kompleks, permitivitas diwakili oleh nilai kompleks:
= ’ + iε",
selain itu, ' dan " bergantung pada dan , dan rasio "/ε' = tg menentukan rugi-rugi dielektrik dalam medium. Pergeseran fasa tergantung pada rasio dan periode medan = 2π/ω. di<< Т (ω<< 1/τ, низкие частоты) направление Р изменяется практически одновременно с Е, т. е. δ → 0 (механизм поляризации «включён»). Соответствующее значение ε’ обозначают ε (0) . При τ >> T (frekuensi tinggi), polarisasi tidak mengikuti perubahan , → dan ' dalam hal ini menyatakan (∞) (mekanisme polarisasi “mati”). Jelas bahwa (0) > (∞), dan dalam medan bolak-balik, permitivitas berubah menjadi fungsi dari . Dekat = l/τ, ' berubah dari (0) menjadi (∞) (daerah dispersi), dan ketergantungan tgδ(ω) melewati maksimum.
Sifat ketergantungan '(ω) dan tgδ(ω) di daerah dispersi ditentukan oleh mekanisme polarisasi. Dalam kasus polarisasi ionik dan elektronik dengan perpindahan elastis muatan terikat, perubahan P(t) dengan masuknya medan E secara bertahap memiliki karakter osilasi teredam, dan ketergantungan '(ω) dan tgδ(ω ) disebut resonansi. Dalam kasus polarisasi orientasi, pembentukan P(t) adalah eksponensial, dan ketergantungan '(ω) dan tgδ(ω) disebut relaksasi.
Metode untuk mengukur polarisasi dielektrik didasarkan pada fenomena interaksi medan elektromagnetik dengan momen dipol listrik partikel materi dan berbeda untuk frekuensi yang berbeda. Sebagian besar metode pada 10 8 Hz didasarkan pada proses pengisian dan pengosongan kapasitor pengukur yang diisi dengan dielektrik yang diselidiki. Pada frekuensi yang lebih tinggi, pandu gelombang, resonansi, multifrekuensi dan metode lainnya digunakan.
Dalam beberapa dielektrik, misalnya, feroelektrik, hubungan proporsional antara P dan [P = 0 (ε – 1)E] dan, akibatnya, antara D dan E dilanggar bahkan dalam medan listrik biasa yang dicapai dalam praktik. Secara formal, ini digambarkan sebagai ketergantungan (Ε) const. Dalam hal ini, karakteristik listrik yang penting dari dielektrik adalah permitivitas diferensial:
Dalam dielektrik nonlinier, nilai diff biasanya diukur dalam medan bolak-balik yang lemah dengan pembebanan medan konstan yang kuat secara simultan, dan komponen variabel diff disebut permitivitas reversibel.
menyala. lihat di st. Dielektrik.
KONSTANT DIELEKTRIK (konstanta dielektrik) adalah besaran fisika yang mencirikan kemampuan suatu zat untuk mengurangi gaya interaksi listrik dalam zat ini dibandingkan dengan ruang hampa. Jadi, D. p. menunjukkan berapa kali gaya interaksi listrik dalam suatu zat lebih kecil daripada di ruang hampa.
D. p. - karakteristik yang tergantung pada struktur zat dielektrik. Elektron, ion, atom, molekul atau bagian individualnya dan bagian yang lebih besar dari zat apa pun dalam medan listrik terpolarisasi (lihat Polarisasi), yang mengarah pada netralisasi parsial medan listrik eksternal. Jika frekuensi medan listrik sepadan dengan waktu polarisasi zat, maka dalam rentang frekuensi tertentu ada dispersi partikel dispersif, yaitu ketergantungan besarnya pada frekuensi (lihat Dispersi). DP suatu zat tergantung baik pada sifat listrik atom dan molekul dan pada pengaturan timbal baliknya, yaitu pada struktur zat. Oleh karena itu, definisi D. p. atau perubahannya tergantung pada kondisi sekitarnya digunakan dalam studi struktur suatu zat, dan khususnya berbagai jaringan tubuh (lihat Konduktivitas listrik sistem biologis).
Zat yang berbeda (dielektrik), tergantung pada struktur dan keadaan agregasinya, memiliki nilai D. p. yang berbeda (Tabel).
Meja. Nilai permitivitas beberapa zat
Yang sangat penting untuk medis - biol, penelitian adalah studi tentang D. dan. dalam cairan polar. Perwakilan khas mereka adalah air, yang terdiri dari dipol, yang berorientasi pada medan listrik karena interaksi antara muatan dipol dan medan, yang mengarah pada munculnya dipol atau polarisasi orientasi. Nilai D. p. air yang tinggi (80 pada t ° 20 °) menentukan tingkat disosiasi yang tinggi dari berbagai bahan kimia di dalamnya. zat dan kelarutan yang baik dari garam, to-t, basa dan senyawa lain (lihat Disosiasi, Elektrolit). Dengan peningkatan konsentrasi elektrolit dalam air, nilai DP-nya berkurang (misalnya, untuk elektrolit monovalen, DP air berkurang satu dengan peningkatan konsentrasi garam sebesar 0,1 M).
Mayoritas biol, benda milik dielektrik heterogen. Pada interaksi ion biol, objek dengan polarisasi medan listrik dari batas-batas bagian memiliki nilai esensial (lihat. Membran biologis). Dalam hal ini, besarnya polarisasi semakin besar, semakin rendah frekuensi medan listrik. Karena polarisasi antarmuka biol, objek bergantung pada permeabilitasnya (lihat) untuk ion, jelas bahwa D. p. efektif sangat ditentukan oleh keadaan membran.
Karena polarisasi objek heterogen yang kompleks seperti objek biologis memiliki sifat yang berbeda (konsentrasi, makrostruktur, orientasi, ionik, elektronik, dll.), menjadi jelas bahwa dengan meningkatnya frekuensi, perubahan D. p. (dispersi) diekspresikan dengan tajam. Secara konvensional, ada tiga area dispersi D. p.: dispersi alfa (pada frekuensi hingga 1 kHz), dispersi beta (frekuensi dari beberapa kHz hingga puluhan MHz), dan dispersi gamma (frekuensi di atas 109 Hz); dalam biol, benda biasanya tidak ada batas yang jelas antara daerah dispersi.
Pada fungsi kerusakan, kata biol, dispersi objek D. dari item pada frekuensi rendah berkurang hingga menghilang total (pada kematian jaringan). Pada frekuensi tinggi, besarnya D.p. tidak berubah secara signifikan.
D.p. diukur pada rentang frekuensi yang lebar dan, tergantung pada rentang frekuensi, metode pengukuran juga berubah secara signifikan. Pada frekuensi arus listrik kurang dari 1 Hz, pengukuran dilakukan dengan menggunakan metode pengisian atau pengosongan kapasitor yang diisi dengan zat uji. Mengetahui ketergantungan arus pengisian atau pengosongan tepat waktu, dimungkinkan untuk menentukan tidak hanya nilai kapasitansi listrik kapasitor, tetapi juga kerugian di dalamnya. Pada frekuensi dari 1 sampai 3 10 8 Hz untuk pengukuran D. dan. resonansi khusus dan metode jembatan digunakan, yang memungkinkan untuk menyelidiki secara komprehensif perubahan D. berbagai zat dengan cara yang paling lengkap dan serbaguna.
Dalam medis - biol, penelitian paling sering menggunakan jembatan simetris arus bolak-balik dengan pembacaan langsung dari ukuran yang diukur.
Bibliografi: Pemanasan frekuensi tinggi dielektrik dan semikonduktor, ed. A.V. Netushila, M. - L., 1959, daftar pustaka; Dengan edunov B. I. dan Fran to-K dan me-n dari e c to dan y D. A. Konstanta dielektrik benda biologis, Usp. fisik Sciences, jilid 79, c. 4, hal. 617, 1963, daftar pustaka; Elektronik dan sibernetika dalam biologi dan kedokteran, trans. dari bahasa Inggris, ed. P.K. Anokhin, hal. 71, M., 1963, bibliogr.; Em F. Pengukuran dielektrik, trans. dari Jerman., M., 1967, bibliogr.
