Náboje na seba vzájomne pôsobia v rôznych prostrediach s rôznou silou, ktorá sa riadi Coulombovým zákonom. Vlastnosti týchto médií určuje veličina nazývaná dielektrická konštanta.
Obsah
Aká je dielektrická permitivita
Podľa Coulombov zákonexistujú dva bodovo stacionárne náboje q1 a q2 vo vákuu interagujú so silou danou vzorcom Fcl= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2), kde:
- Fcl - je Coulombova sila, N;
- q1, q2 - sú moduly nábojov, kl;
- r je vzdialenosť medzi nábojmi, m;
- ε0 - elektrická konštanta, 8,85*10-12 F/m (Farad na meter).
Ak interakcia neprebieha vo vákuu, vzorec obsahuje ďalšiu veličinu určujúcu vplyv látky na Coulombovu silu a zápis Coulombovho zákona vyzerá takto
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Táto veličina sa označuje gréckym písmenom ε (epsilon) a je bezrozmerná (nemá mernú jednotku). Dielektrická konštanta je koeficient útlmu vzájomného pôsobenia nábojov v látke.
Vo fyzike sa dielektrická konštanta často používa v spojení s elektrickou konštantou a v takom prípade je vhodné zaviesť pojem absolútna dielektrická konštanta. Označuje sa εa a rovná sa εa= ε* ε. V tomto prípade má absolútna permeabilita rozmer F/m. Normálna permeabilita ε sa nazýva aj relatívna permeabilita, aby sa odlíšila od εa.
Charakter dielektrickej permitivity
Podstata dielektrickej permitivity je založená na jave polarizácie pri pôsobení elektrického poľa. Väčšina látok je vo všeobecnosti elektricky neutrálna, hoci obsahuje nabité častice. Tieto častice sú v hmote usporiadané chaoticky a ich elektrické polia sa v priemere navzájom neutralizujú.
Dielektriká obsahujú väčšinou viazané náboje (nazývané dipóly). Tieto dipóly sú zvyčajne zväzky dvoch rôznorodých častíc, ktoré sú spontánne orientované pozdĺž hrúbky dielektrika a v priemere vytvárajú nulovú intenzitu elektrického poľa. Pri pôsobení vonkajšieho poľa majú dipóly tendenciu orientovať sa podľa pôsobiacej sily. Tým sa vytvorí ďalšie elektrické pole. Podobné javy sa vyskytujú aj v nepolárnych dielektrikách.
Vodiče fungujú podobne, ale majú voľné náboje, ktoré sú oddelené vonkajším poľom a môžu vytvárať vlastné elektrické pole. Toto pole je namierené proti vonkajšiemu poľu, tieni náboje a znižuje silu ich interakcie. Čím väčšia je polarizačná schopnosť látky, tým vyššie je ε.
Dielektrická konštanta rôznych látok
Rôzne látky majú rôzne dielektrické permitivity. Hodnota ε pre niektoré z nich je uvedená v tabuľke 1. Je zrejmé, že tieto hodnoty sú väčšie ako jednota, takže interakcia nábojov v porovnaní s vákuom vždy klesá. Je tiež potrebné poznamenať, že pre vzduch je ε o niečo väčšie ako jednota, preto sa interakcia nábojov vo vzduchu prakticky nelíši od interakcie vo vákuu.
Tabuľka 1. Hodnoty elektrickej priepustnosti pre rôzne látky.
| Látka | Permitivita |
|---|---|
| Bakelit | 4,5 |
| Papier | 2,0..3,5 |
| Voda | 81 (pri +20 °C) |
| Vzduch | 1,0002 |
| Germánium | 16 |
| Gethinax | 5..6 |
| Drevo | 2.7..7.5 (rôzne triedy) |
| Keramika Rádiová keramika | 10..200 |
| Sľuda | 5,7..11,5 |
| Sklo | 7 |
| Textolit | 7,5 |
| Polystyrén | 2,5 |
| Polyvinylchlorid | 3 |
| Fluoroplastické | 2,1 |
| Amber | 2,7 |
Dielektrická konštanta a kapacita kondenzátora
Znalosť hodnoty ε je dôležitá v praxi, napr. pri návrhu elektrických kondenzátorov. Ich kapacita závisí od geometrických rozmerov vložiek, vzdialenosti medzi nimi a dielektrickej konštanty dielektrika.
Ak chcete vyrobiť kondenzátor kondenzátor Ak majú elektródy vyššiu kapacitu, zväčšením plochy krytov sa zväčší ich veľkosť. Existujú aj praktické obmedzenia týkajúce sa zmenšenia vzdialenosti medzi elektródami. V tomto prípade môže pomôcť použitie izolantu so zvýšenou dielektrickou konštantou. Ak sa použije materiál s vyšším ε, je možné zmenšiť veľkosť elektród alebo zväčšiť vzdialenosť medzi elektródami bez straty elektrická kapacita.
Samostatnou kategóriou materiálov sú feroelektriká, ktoré môžu za určitých podmienok vykazovať spontánnu polarizáciu. V predmetnej oblasti sa vyznačujú dvoma vlastnosťami:
- veľké hodnoty dielektrickej permitivity (typické hodnoty sa pohybujú od stoviek do niekoľkých tisícok);
- možnosť regulovať hodnotu dielektrickej permitivity zmenou vonkajšieho elektrického poľa.
Tieto vlastnosti sa využívajú na výrobu vysokokapacitných kondenzátorov (zvýšením dielektrickej konštanty izolantu) s malými rozmermi.
Tieto zariadenia fungujú len v nízkofrekvenčných obvodoch striedavého prúdu - s rastúcou frekvenciou ich dielektrická konštanta klesá. Ďalšou aplikáciou segmentovaných dielektrík sú premenlivé kondenzátory, ktorých vlastnosti sa menia vplyvom aplikovaného elektrického poľa s premenlivými parametrami.
Dielektrická permitivita a dielektrické straty
Dielektrické straty, časť energie, ktorá sa v dielektriku stráca na teplo, tiež závisia od dielektrickej konštanty. Na opis týchto strát sa bežne používa parameter tg δ, tangens uhla dielektrických strát. Charakterizuje silu dielektrických strát v kondenzátore, v ktorom je dielektrikum vyrobené z materiálu s dostupnou tg δ. Špecifický stratový výkon pre každú látku je definovaný vzorcom p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, kde
- p je špecifický stratový výkon, W;
- ώ=2*π*f - kruhová frekvencia elektrického poľa;
- E - intenzita elektrického poľa, V/m.
Je zrejmé, že čím vyššia je dielektrická permitivita, tým vyššie sú straty v dielektriku, pričom ostatné podmienky sú rovnaké.
Závislosť dielektrickej permitivity od vonkajších faktorov
Treba poznamenať, že hodnota dielektrickej permitivity závisí od frekvencie elektrického poľa (v tomto prípade od frekvencie napätia privádzaného na pásy). S rastúcou frekvenciou hodnota ε pre mnohé látky klesá. Tento efekt je výrazný pri polárnych dielektrikách. Tento jav možno vysvetliť tým, že náboje (dipóly) už nemajú čas sledovať pole. V prípade látok, ktoré sa vyznačujú iónovou alebo elektronickou polarizáciou, je frekvenčná závislosť dielektrickej konštanty malá.
Preto je výber materiálov na výrobu dielektrika kondenzátora taký dôležitý. To, čo funguje pri nízkych frekvenciách, nemusí nevyhnutne vytvárať dobrú izoláciu pri vysokých frekvenciách. Pri vysokých frekvenciách sa ako izolant najčastejšie používajú nepolárne dielektriká.
Dielektrická konštanta závisí aj od teploty a líši sa od látky k látke. V nepolárnych dielektrikách klesá s rastúcou teplotou. V tomto prípade sa pri kondenzátoroch vyrobených s takýmto izolantom hovorí o zápornom teplotnom koeficiente kapacity (TKE) Kapacita klesá s rastúcou teplotou po ε. V iných látkach sa permeabilita zvyšuje s rastúcou teplotou a možno získať kondenzátory s kladným TKE. Spárovaním kondenzátorov s opačnými TKE možno získať termostabilnú kapacitu.
Poznanie dielektrickej konštanty rôznych látok je dôležité na praktické účely. Možnosť regulovať úroveň dielektrickej konštanty poskytuje ďalšie technické perspektívy.
Súvisiace články:
