Диелектрична константа: какво е това, формула, таблица - Asutpp

• Просто обяснение
• Вакуумна проницаемост
• Закон на Кулон и електрически потенциал
• Диелектрична константа: общ случай
• Относителни диелектрични проницаемости на отделни материали
• Списък с литература

Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

В тази статия ще разгледаме най-важните неща, свързани с диелектричната константа. Освен всичко друго, ще научите за важните роли, които тя играе, и типичните й значения.

Просто обяснение

В ежедневието се натъквате на различни вещества като метали, вода или кислород. Всяко от тези вещества реагира различно на електрическите полета.

Диелектрична константа (диелектрична константа или абсолютна диелектрична проницаемост) ε описва способността на даден материал да бъде поляризиран от електрически полета и се определя, както следва: ε=ε_rε_0.

Тук ε_rе относителната пропускливост, а ε_{0 е електрическата константа (или диелектричната проницаемост на вакуума).}

Ако разбираме значението на термина "пропускливост" буквално, тогава това е мярка за това колко материя "преминава" през електрическо поле. Следователно пропускливостта може да се разглежда като мярка за това колко материя може да бъде поляризирана.

Вакуумна проницаемост

Диелектричната проницаемост на вакуума (наричана още вакуумна диелектрична проницаемост) играе специална роля. В този раздел ще ви разкажем за значението и мерните единици на пропускливостта на вакуума, как се свързва с други константи и значението му в контекста на други важни закони.

Числена стойност и мерна единица

Вакуумната диелектрична проницаемост ε₀е 8.8541878176203910^-12или 8.8510^{-12което е по-практично за изчисления.Единицата на константата е [ f·m}−1^{] или ако е изразена в основни единици SI [ m}−3^kg− 1^c4^A2^].

Връзка с други константи

Има чудесна връзка между електрическата константа ε₀, магнитната константа μ‎₀и скоростта на светлината във вакуум c₀. Тоест следната връзка е вярна: c₀²=1 / ε₀μ‎_{0 .}

До 2019 г. това уравнение определяше точно стойността на константата на електрическото поле. По време на ревизията обаче ситуацията се промени и от 20 май 2019 г. както електрическата, така и магнитната константа имат известна грешка в измерването.

Това уравнение беше първата индикация, че светлината може да бъде електромагнитна вълна.

Закон на Кулон и електрически потенциал

Освен че е свързана със скоростта на светлината, електрическата константа се появява в други важни закони на електродинамиката. Те включват например:

• Закон на Кулон:

• Електрически потенциал на заредена частица: φ (r)=q / 4πε_{0r .}

По-конкретно, законът на Кулон е в основата на електростатиката, така че константата на електрическото поле също е от голямо значение.

Диелектрична константа: общ случай

В този раздел ще разгледаме общия случай. Ще обясним физическото значение на абсолютната диелектрична проницаемост с помощта на електроизолационни материали и ще обясним какво е относителна диелектрична проницаемост.

Диелектрична проницаемост на диелектриците

В електроизолационните материали (диелектрици) електрическите заряди са свързани с атоми или молекули. Следователно те могат да се движат само леко в рамките на атоми или молекули. Електрическото поле може да промени разпределението на заряда в диелектрик по два важни начина: деформация и въртене.Дори ако отделните електрически заряди могат да се движат леко, съвкупността от всички движения определя поведението на електроизолационния материал.

Поляризация

В зависимост от това дали материалът се състои от полярни или неполярни молекули, отговорът на външно електрическо поле е различен. При неполярна молекула се получава разтягане (деформация), при което полето индуцира диполен момент във всяка молекула на материала. Всички тези диполни моменти сочат в същата посока като електрическото поле.

В полярна молекула, от друга страна, има ротация, така че тук отново всички диполни моменти са насочени към електрическото поле. Като цяло външното електрическо поле причинява образуването на голям брой диполи в материала, всички от които са ориентирани в същата посока като външното поле. Така материалът е поляризиран. Поляризацията P описва колко диполни моменти има на единица обем материал.

Диелектрична константа на диелектриците

Така поляризацията на диелектрик се причинява от електрическо поле. Възникващите насочени диполни моменти от своя страна създават електрическо поле, което се противопоставя на външното поле. Така това противоположно поле отслабва външното поле. Като цяло връзката между поляризацията и външното електрическо поле е сложна. За много вещества, така наречените линейни диелектрици, поляризацията е пропорционална на полето. Прилага се следното съотношение:

P=ε_{0χE , където}

Тук ε_{0 е електрическата константа и χ е електрическата поляризуемост. Електрическото поле E в това уравнение е общото поле. Следователно причината за това може да са отчасти свободни заряди и отчасти самата поляризация.Свободни заряди са всички онези носители на заряд, които не са резултат от поляризация. По този начин, това общо електрическо поле е много трудно за изчисляване, тъй като обикновено нямаме информация за разпределението на поляризационните заряди.}

За справка: χ е коефициент, зависещ от химичния състав, концентрацията, структурата (включително агрегатното състояние) на средата, температурата, механичните напрежения и др. (по-силно при някои фактори, по-слабо при други, разбира се, и в зависимост от обхвата на промените на всеки) и се нарича (електрическа) поляризуемост (и по-често, поне за случая, когато се изразява със скала - диелектрична чувствителност) на дадена среда.

Уикипедия

Електрическа индукция

За да може да се изчисли електрическото поле дори в присъствието на диелектрик, се въвежда електрическата индукция D. В линейна среда: D=ε₀E + P=ε₀E + ε₀χ_eE=ε₀( 1 + χ_{e )E и така D също е пропорционално на E.}

Ако комбинирате константите заедно ε=ε₀( 1 + χ_{e), получавате: D=εE}

Константата ε се нарича диелектрична проницаемост.

Относителна диелектрична проницаемост

Стойност: ε_r=1 + χ_e=ε / ε₀се извиква относителна пропускливост (също относителна диелектрична проницаемост). С негова помощ общото електрическо поле в присъствието на диелектрик се определя, както следва:

При постоянна електрическа индукция, относителната проницаемост определя колко е отслабено електрическото поле. Колкото по-голяма е относителната пропускливост, толкова повече електрическото поле е отслабено и, следователно, общата сила на електрическото поле намалява.

Терминът относителна пропускливост може да доведе до погрешно разбиране, че относителната пропускливост за даден материал е константа. Всъщност относителната пропускливост зависи от много фактори. Сред тях:

• температура на материала;
• честота на външно електрическо поле;
• сила на външно електрическо поле.

За някои материали относителната пропускливост зависи допълнително от посоката. Следователно, в случая на такива материали, това не е просто число, а често тензор от втори ред.

Особено ясна илюстрация на ефекта на диелектрици с различна относителна пропускливост може да се получи чрез поставяне на диелектрик между две кондензаторни пластини. Ако измерим напрежението на кондензатора преди и след въвеждането на диелектрика, можем да открием, че напрежението на кондензатора намалява точно със стойността на ε_rотносителната диелектрична проницаемост. Това следва директно от уравнението: E=U/d за големината на електрическото поле между пластините на кондензатора, разположени на разстояние d една от друга. Това също илюстрира защо ε_rсе нарича относителна пропускливост.Напрежението на кондензатора е намалено с фактор ε_{r поради въвеждането на диелектрик, в сравнение със случая, когато има само вакуум между плочите.}

Относителни диелектрични проницаемости на отделни материали

Накрая предоставяме таблица с типични стойности за относителната диелектрична проницаемост (относителна диелектрична проницаемост) на различни материали. Трябва да се отбележи, че такива таблици обикновено показват относителната диелектрична проницаемост, а не самата абсолютна диелектрична проницаемост. Ето защо, ако търсите таблица за определяне на абсолютната диелектрична проницаемост на определен материал, трябва да запомните, че стойността, дадена там, не е директно диелектричната проницаемост, която търсите. Въпреки това, за дадена стойност на относителната диелектрична проницаемост, съответната абсолютна диелектрична проницаемост може да бъде изчислена без много допълнителни усилия. Тоест, трябва да приложите следната формула, която вече ни е известна: ε=ε_rε_{0 .}

50 Hz)

Вещество	εr
Вакуум	точно 1
Хелий	1.000065
Мед	5,6
Въздух (сух)	1,00059
Метанол	32.6
Хартия	1 - 4
Вода ( 20°C, 0 - 3 GHz )	80
Вода (0°C, 0 - 1 GHz)	88

В предишния раздел споменахме, че относителната пропускливост зависи, наред с други неща, от температурата и честотата.Следователно е важно да знаете както температурата, така и честотата, ако искате да получите стойност от таблица. Например относителната пропускливост на водата при 20°C и честота 0 GHz е 80. Ако температурата е 0°C и честотата е същата, относителната пропускливост на водата е 88. Медта, от друга страна, има относителна пропускливост 5,6. Това означава, че водата като среда ще намали напрежението в кондензатора с фактор 80, докато медта ще го намали само с фактор 5,6.

Списък с литература

Курс по физика за ФМС в НГУ, секция "Електромагнитно поле" , гл. 2: "Диелектрици" .
1. Фейнман Р., Лейтън Р., Сендс М. Фейнман Лекции по физика. - М.: Мир, 1965.
2. Sivukhin DV Общ курс по физика. - М - Т. III. Електричество.
3. Goldshtein L. D., Zernov N. V. Електромагнитни полета и вълни. М.: Сов. радио, 1971. С. 11.

Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!