Permeabilitatea electrică
Permitivitatea electrică este o valoare care caracterizează capacitatea unui dielectric plasat între plăcile unui condensator. După cum știți, capacitatea unui condensator plat depinde de aria plăcilor (cu cât aria plăcilor este mai mare, cu atât capacitatea este mai mare), distanța dintre plăci sau grosimea plăcilor. dielectricul (cu cât dielectricul este mai gros, cu atât capacitatea este mai mică), precum și pe materialul dielectricului, a cărui caracteristică este permeabilitatea electrică.
Numeric, permeabilitatea electrică este egală cu raportul dintre capacitatea condensatorului și orice dielectric al aceluiași condensator de aer. Pentru a crea condensatoare compacte, este necesar să folosiți dielectrici cu permeabilitate electrică ridicată. Permitivitatea electrică a majorității dielectricilor este de câteva unități.
În tehnologie s-au obținut dielectrici cu permeabilitate electrică mare și ultraînaltă. Partea lor principală este rutil (dioxid de titan).
Figura 1. Permeabilitatea electrică a mediului
Unghiul de pierdere dielectrică
În articolul „Dielectrice” am analizat exemple de includere a unui dielectric în circuitele de curent continuu și alternativ. S-a dovedit că un dielectric real, atunci când lucrează într-un câmp electric format dintr-o tensiune alternativă, eliberează energie termică. Puterea absorbită în acest caz se numește pierderi dielectrice.În articolul „Un circuit AC care conține o capacitate”, se va dovedi că într-un dielectric ideal, curentul capacitiv conduce tensiunea cu un unghi mai mic de 90 °. Într-un dielectric real, curentul capacitiv conduce tensiunea cu un unghi mai mic de 90°. Scăderea unghiului este influențată de curentul de scurgere, denumit altfel curent de conducție.
Diferența dintre 90° și unghiul de deplasare dintre tensiune și curent care curge într-un circuit cu un dielectric real se numește unghi de pierdere sau unghi de pierdere dielectric și se notează δ (delta). Mai des, nu unghiul în sine este determinat, ci tangenta acestui unghi -tg δ.
S-a stabilit că pierderile dielectrice sunt proporționale cu pătratul tensiunii, frecvenței AC, capacității condensatorului și tangentei pierderilor dielectrice.
Prin urmare, cu cât tangenta de pierdere a dielectricului este mai mare, tan δ, cu atât este mai mare pierderea de energie în dielectric, cu atât materialul dielectric este mai rău. Materialele cu un tg δ relativ mare (de ordinul a 0,08 - 0,1 sau mai mult) sunt izolatori slabi. Materialele cu tg δ relativ mic (de ordinul a 0,0001) sunt buni izolatori.
Prelecția #19
- Natura conductibilității electrice a dielectricilor gazoși, lichidi și solizi
Constanta dielectrică
Permitivitate relativă, sau permisivitatea ε este unul dintre cei mai importanți parametri electrici macroscopici ai unui dielectric. Constanta dielectricăε caracterizează cantitativ capacitatea unui dielectric de a polariza într-un câmp electric și, de asemenea, evaluează gradul de polaritate a acestuia; ε este constanta materialului dielectric la o temperatură și o frecvență date a tensiunii electrice și arată de câte ori sarcina unui condensator cu un dielectric este mai mare decât sarcina unui condensator de aceeași dimensiune cu vid.
Constanta dielectrică determină valoarea capacității electrice a produsului (condensator, izolație cablu etc.). Pentru capacitatea condensatorului plat CU,Ф, este exprimat prin formula (1)
unde S este aria electrodului de măsurare, m 2 ; h este grosimea dielectricului, m. Din formula (1) se poate observa că cu cât valoarea este mai mare ε dielectric folosit, cu atât capacitatea condensatorului cu aceleași dimensiuni este mai mare. La rândul său, capacitatea electrică C este coeficientul de proporționalitate dintre sarcina de suprafață QK, condensatorul acumulat și tensiunea electrică aplicată acestuia
învârtire U(2):
Din formula (2) rezultă că sarcina electrică QK, acumulat de condensator este proporțional cu valoarea ε dielectric. știind QK dimensiunile igeometrice ale condensatorului, puteți determina ε material dielectric pentru o tensiune dată.
Luați în considerare mecanismul de formare a sarcinii QK pe electrozii unui condensator cu un dielectric și ce componente alcătuiesc această sarcină. Pentru a face acest lucru, luăm doi condensatori plati de aceleași dimensiuni geometrice: unul cu vid, celălalt cu un spațiu interelectrod umplut cu un dielectric și le aplicăm aceeași tensiune. U(Fig. 1). Pe electrozii primului condensator se formează o sarcină Q0, pe electrozii celui de-al doilea - QK. La rândul său, încărcați QK este suma taxelor Q0și Q(3):
Încărca Q 0 este format dintr-un câmp extern E0 prin acumularea de sarcini externe pe electrozii condensatorului cu o densitate de suprafață σ 0 . Q- aceasta este o sarcină suplimentară pe electrozii condensatorului, creată de o sursă de tensiune electrică pentru a compensa sarcinile legate formate pe suprafața dielectricului.
Într-un dielectric polarizat uniform, sarcina Q corespunde densității de suprafață a sarcinilor legate σ. Sarcina σ formează un câmp E sz, îndreptat opus câmpului E O.
Permitivitatea dielectricului considerat poate fi reprezentată ca raport de sarcină QK un condensator umplut cu un dielectric pentru a se încărca Q0 același condensator cu vid (3):
Din formula (3) rezultă că permisivitatea ε - valoarea este adimensională, iar pentru orice dielectric este mai mare decât unitatea; în caz de vid ε = 1. Din exemplul considerat, de asemenea
se poate observa că densitatea de sarcină pe electrozii unui condensator cu un dielectric în ε de ori mai mare decât densitatea de sarcină pe electrozii condensatorului cu vid și intensitatea la aceeași tensiune pentru ambele
condensatorii lor sunt aceiași și depind doar de mărimea tensiunii Uși distanța dintre electrozi (E = U/h).
Pe lângă permisivitatea relativă ε distinge permisivitatea absolută ε a, f/m, (4)
care nu are sens fizic și este folosit în electrotehnică.
Modificarea relativă a permisivității εr cu o creștere a temperaturii cu 1 K se numește coeficientul de temperatură al permitivității.
TKε = 1/ εr d εr/dT K-1 Pentru aer la 20°C TK εr = -2,10-6K-
Îmbătrânirea electrică în feroelectrice este exprimată ca o scădere a εr în timp. Motivul este o rearanjare a domeniilor.
La temperaturi apropiate de punctul Curie se observă o schimbare deosebit de accentuată a permisivității în timp. Încălzirea feroelectricilor la o temperatură peste punctul Curie și răcirea ulterioară aduce εr la valoarea anterioară. Aceeași restabilire a permitivității dielectrice poate fi realizată prin expunerea feroelectricului la un câmp electric de putere crescută.
Pentru dielectrici complexe - un amestec mecanic de două componente cu εr diferit în prima aproximare: εrx = θ1 εr1x θ εr2x, unde θ este concentrația volumetrică a componentelor amestecului, εr este permisivitatea relativă a componentei amestecului.
Polarizarea dielectrică poate fi cauzată de: sarcini mecanice (piezopolarizare în piezoelectrice); încălzire (piropolarizare în piroelectrice); lumina (fotopolarizare).
Starea polarizată a unui dielectric într-un câmp electric E este caracterizată printr-un moment electric pe unitatea de volum, polarizarea Р, C/m2, care este legată de permisivitatea sa relativă de exemplu: Р = e0 (de exemplu - 1)Е, unde e0 = 8,85∙10-12 F/m. Produsul e0∙eg =e, F/m, se numește permitivitate absolută. În dielectricii gazoși, ex. diferă puțin de 1,0, în lichid și solid nepolar ajunge la 1,5 - 3,0, în cele polare are valori mari; în cristale ionice de exemplu - 5-MO, iar în cele cu rețea cristalină de perovskit ajunge la 200; în feroelectrice de exemplu - 103 și mai mult.
La dielectricii nepolari, ex. scade usor cu cresterea temperaturii, la schimbarile polare sunt asociate cu predominarea unuia sau altui tip de polarizare, la cristalele ionice creste, la unele feroelectrice la temperatura Curie ajunge la 104 si mai mult. Schimbările de temperatură, de exemplu, sunt caracterizate de un coeficient de temperatură. Pentru dielectricii polari, o trăsătură caracteristică este o scădere a, de exemplu, în domeniul de frecvență, în care timpul t pentru polarizare este proporțional cu T/2.
Informații similare.
Nivelul de polarizabilitate al unei substanțe este caracterizat de o valoare specială, care se numește 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 arată că atunci când spațiul dintre plăci este umplut succesiv cu dielectrici egali, mărimea intensității câmpului va fi diferită. Prin urmare, cunoscând valoarea raportului intensității câmpului electric dintre plăci în absența dielectricului Е₀ și în prezența dielectricului Е, se poate determina polarizabilitatea acestuia, adică. constanta sa dielectrică. Această valoare este de obicei indicată cu litera greacă ԑ (epsilon). Prin urmare, se poate scrie:
Permitivitatea dielectrică arată de câte ori aceste sarcini într-un dielectric (omogen) vor fi mai mici decât în vid.
Scăderea forței de interacțiune între sarcini este cauzată de procesele de polarizare a mediului. Într-un câmp electric, electronii din atomi și molecule scad în raport cu ionii, iar T.e. acele molecule care au propriul moment dipol (în special moleculele de apă) se orientează în câmpul electric. Aceste momente își creează propriul câmp electric, care se opune câmpului care le-a făcut să apară. Ca urmare, câmpul electric total scade. În câmpuri mici, acest fenomen este descris folosind conceptul de permitivitate.
Mai jos este permisivitatea 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, permitivitatea solidelor variază ușor cu temperatura, cu excepția feroelectricilor.
Dimpotrivă, în gaze scade din cauza creșterii temperaturii și crește din cauza creșterii presiunii. În practică, este luată ca o unitate.
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 mărimile sarcinilor, ԑ este permisivitatea absolută a mediului, r este distanța dintre sarcinile punctuale.
Valoarea lui ԑ poate fi afișată numeric în unități relative (față de valoarea permisivității absolute a vidului ԑ₀). Valoarea ԑ = ԑₐ/ԑ₀ se numește permitivitate relativă. Ea dezvăluie de câte ori interacțiunea dintre sarcini într-un mediu infinit omogen este mai slabă decât în vid; ԑ = ԑₐ/ԑ₀ este adesea numit permittivitatea complexă. Valoarea numerică a mărimii ԑ₀, precum și dimensiunea acesteia, depind de ce sistem de unități este ales; iar valoarea lui ԑ nu depinde. Astfel, în sistemul CGSE ԑ₀ = 1 (aceasta este a patra unitate de bază); în sistemul SI, permitivitatea în vid este exprimată ca:
ԑ₀ = 1/(4π˖9˖10⁹) farad/metru = 8,85˖10⁻¹² f/m (în acest sistem, ԑ₀ este o mărime derivată).
PERMITIVITATEA DIELECTRICĂ, valoarea lui ε, care caracterizează polarizarea dielectricilor sub influența unui câmp electric de putere E. Constanta dielectrică este inclusă în legea Coulombului ca mărime care arată de câte ori forța de interacțiune a două sarcini libere într-un dielectricul este mai mic decât în vid. Slăbirea interacțiunii are loc datorită ecranării sarcinilor libere de către sarcinile legate formate ca urmare a polarizării mediului. Sarcinile legate apar ca urmare a unei redistribuiri spațiale microscopice a sarcinilor (electroni, ioni) într-un mediu neutru din punct de vedere electric în ansamblu.
Legătura dintre vectorii de polarizare P, intensitatea câmpului electric E și inducția electrică D într-un mediu izotrop în sistemul SI de unități are forma:
unde ε 0 este o constantă electrică. Permitivitatea dielectrică ε depinde de structura și compoziția chimică a substanței, precum și de presiune, temperatură și alte condiții externe (tabel).
Pentru gaze, valoarea sa este apropiată de 1, pentru lichide și solide variază de la câteva unități la câteva zeci, pentru feroelectrice poate ajunge la 10 4 . O astfel de răspândire a valorilor lui ε se datorează diferitelor mecanisme de polarizare care au loc în dielectrici dielectrici.
Teoria microscopică clasică conduce la o expresie aproximativă a permisivității dielectricilor nepolari:
unde n i este concentrația celui de-al i-lea fel de atomi, ioni sau molecule, α i este polarizabilitatea acestora, β i este așa-numitul factor de câmp intern, datorită caracteristicilor structurale ale unui cristal sau substanță. Pentru majoritatea dielectricilor cu permitivitate cuprinsă între 2-8, β = 1/3. De obicei, permisivitatea este practic independentă de mărimea câmpului electric aplicat până la ruperea electrică a dielectricului. Valorile ridicate ale ε ale unor oxizi metalici și altor compuși se datorează particularităților structurii lor, care permite, sub acțiunea câmpului E, deplasarea colectivă a subrețelelor de ioni pozitivi și negativi în direcții opuse și formarea unor sarcini legate semnificative la limita cristalului.
Procesul de polarizare dielectrică atunci când se aplică un câmp electric nu se dezvoltă instantaneu, ci într-un anumit timp τ (timp de relaxare). Dacă câmpul E se modifică în timpul t după o lege armonică cu o frecvență ω, atunci polarizarea dielectricului nu are timp să-l urmeze, iar între oscilațiile P și E apare o diferență de fază δ. Când se descriu oscilațiile P și E prin metoda amplitudinilor complexe, permitivitatea este reprezentată de o valoare complexă:
ε = ε’ + iε",
în plus, ε' şi ε" depind de ω şi τ, iar raportul ε"/ε' = tg δ determină pierderile dielectrice în mediu. Defazatul δ depinde de raportul τ și de perioada de câmp Т = 2π/ω. La τ<< 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 (frecvențe înalte) polarizarea nu ține pasul cu modificarea Ε, δ → π și ε' în acest caz indică ε (∞) (mecanismul de polarizare este „off”). Este evident că ε (0) > ε (∞), iar în câmpuri alternante permisivitatea se dovedește a fi o funcție a lui ω. Aproape de ω = l/τ, ε' se schimbă de la ε (0) la ε (∞) (regiune de dispersie), iar dependența tgδ(ω) trece printr-un maxim.
Natura dependențelor ε'(ω) și tgδ(ω) în regiunea de dispersie este determinată de mecanismul de polarizare. În cazul polarizărilor ionice și electronice cu o deplasare elastică a sarcinilor legate, modificarea în P(t) cu includerea treptată a câmpului E are caracterul de oscilații amortizate, iar dependențele ε'(ω) și tgδ(ω). ) se numesc rezonante. În cazul polarizării orientative, stabilirea lui P(t) este exponențială, iar dependențele ε'(ω) și tgδ(ω) se numesc relaxare.
Metodele de măsurare a polarizării dielectrice se bazează pe fenomenele de interacțiune a unui câmp electromagnetic cu momentele dipolare electrice ale particulelor de materie și sunt diferite pentru frecvențe diferite. Majoritatea metodelor la ω ≤ 10 8 Hz se bazează pe procesul de încărcare și descărcare a unui condensator de măsurare umplut cu dielectricul investigat. La frecvențe mai mari, se folosesc metode de ghidare de undă, rezonantă, multifrecvență și alte metode.
În unele dielectrice, de exemplu, feroelectrice, relația proporțională dintre P și Ε [P = ε 0 (ε – 1)E] și, în consecință, între D și E este încălcată chiar și în câmpurile electrice obișnuite realizate în practică. În mod formal, aceasta este descrisă ca dependența ε(Ε) ≠ const. În acest caz, o caracteristică electrică importantă a dielectricului este permisivitatea diferenţială:
În dielectricii neliniari, valoarea lui ε diff este de obicei măsurată în câmpuri alternante slabe cu impunerea simultană a unui câmp constant puternic, iar componenta variabilă ε diff se numește permitivitate reversibilă.
Lit. vezi la st. Dielectrice.
CONSTANTA DIELECTRICA (constantă dielectrică) este o mărime fizică care caracterizează capacitatea unei substanțe de a reduce forțele de interacțiune electrică din această substanță în comparație cu vidul. Astfel, D. p. arată de câte ori forțele interacțiunii electrice dintr-o substanță sunt mai mici decât în vid.
D. p. - o caracteristică care depinde de structura substanţei dielectrice. Electronii, ionii, atomii, moleculele sau părțile lor individuale și secțiunile mai mari ale oricărei substanțe dintr-un câmp electric sunt polarizați (vezi Polarizare), ceea ce duce la neutralizarea parțială a câmpului electric extern. Dacă frecvența câmpului electric este proporțională cu timpul de polarizare al substanței, atunci într-un anumit interval de frecvență există o dispersie a particulei dispersive, adică dependența mărimii acesteia de frecvență (vezi Dispersia). DP-ul unei substanțe depinde atât de proprietățile electrice ale atomilor și moleculelor, cât și de aranjarea lor reciprocă, adică de structura substanței. Prin urmare, definiția D. p. sau modificările sale în funcție de condițiile înconjurătoare sunt utilizate în studiul structurii unei substanțe și, în special, a diferitelor țesuturi ale corpului (vezi Conductivitatea electrică a sistemelor biologice).
Diferite substanțe (dielectrice), în funcție de structura și starea lor de agregare, au valori diferite ale D. p. (Tabel).
Masa. Valoarea permitivității unor substanțe
De o importanță deosebită pentru medical - biol, cercetarea este studiul lui D. și. în lichide polare. Reprezentantul lor tipic este apa, constând din dipoli, care sunt orientați într-un câmp electric datorită interacțiunii dintre sarcinile dipolului și câmpului, ceea ce duce la apariția unui dipol sau polarizare orientativă. Valoarea mare a D. p. a apei (80 la t ° 20 °) determină gradul ridicat de disociere în ea a diferitelor substanțe chimice. substanțe și solubilitate bună a sărurilor, to-t, baze și alți compuși (vezi Disocierea, Electroliții). Odată cu creșterea concentrației de electrolit în apă, valoarea DP-ului acestuia scade (de exemplu, pentru electroliții monovalenți, DP-ul apei scade cu una cu o creștere a concentrației de sare cu 0,1 M).
Majoritatea obiectelor biol, aparțin dielectricilor eterogene. La interacțiunea ionilor biol, obiectul cu un câmp electric polarizarea limitelor secțiunii are valoare esențială (vezi. Membrane biologice). Mărimea polarizării este cu atât mai mare, cu atât frecvența câmpului electric este mai mică. Deoarece polarizarea interfeței biol, obiectul depinde de permeabilitatea acestora (vezi) pentru ioni, este evident că D. p. efectivă este determinată în mare măsură de starea membranelor.
Întrucât polarizarea unui obiect eterogen atât de complex ca unul biologic are o natură diferită (concentrație, macrostructurală, orientativă, ionică, electronică etc.), devine clar că, cu o frecvență crescândă, modificarea D. p. (dispersia) exprimată tranşant. În mod convențional, există trei regiuni ale dispersiei de dispersie D.: dispersia alfa (la frecvențe de până la 1 kHz), dispersia beta (frecvența de la câțiva kHz la zeci de MHz) și dispersia gamma (frecvențele peste 10 9 Hz); în biol, obiectele nu există de obicei o limită clară între zonele de dispersie.
La deteriorarea funkts, afirmă biol, dispersia obiectului D. la frecvențe joase scade până la dispariția completă (la moartea țesuturilor). La frecvențe înalte, mărimea D. p. nu se modifică semnificativ.
D.p. se măsoară pe o gamă largă de frecvențe și, în funcție de intervalul de frecvență, metodele de măsurare se modifică și ele semnificativ. La frecvențe ale curentului electric mai mici de 1 Hz, măsurarea se face folosind metoda de încărcare sau descărcare a unui condensator umplut cu substanța de testat. Cunoscând dependența curentului de încărcare sau de descărcare în timp, este posibil să se determine nu numai valoarea capacității electrice a condensatorului, ci și pierderile din acesta. La frecvenţe de la 1 la 3 10 8 Hz pentru măsurarea lui D. şi. se folosesc metode speciale de rezonanță și punte, care fac posibilă investigarea cuprinzătoare a modificărilor D. diferitelor substanțe în cel mai complet și versatil mod.
În medical - biol, cercetările folosesc cel mai adesea punți simetrice de curent alternativ cu citirea directă a dimensiunilor măsurate.
Bibliografie:Încălzirea de înaltă frecvență a dielectricilor și semiconductorilor, ed. A. V. Netushila, M. - L., 1959, bibliografie; Cu edunov B. I. și Fran to-K și me-n de e c to și y D. A. Constanta dielectrică a obiectelor biologice, Usp. fizic Științe, vol. 79, c. 4, p. 617, 1963, bibliogr.; Electronică și cibernetică în biologie și medicină, trad. din engleză, ed. P. K. Anokhin, p. 71, M., 1963, bibliogr.; Em F. Măsurători dielectrice, trans. din germană., M., 1967, bibliogr.
