La costante dielettrica - questo è uno dei parametri principali che caratterizzano le proprietà elettriche dei dielettrici. In altre parole, determina quanto è buono un particolare materiale isolante.
Il valore della costante dielettrica mostra la dipendenza dell'induzione elettrica nel dielettrico dall'intensità del campo elettrico che agisce su di esso. Inoltre, il suo valore è influenzato non solo Proprietà fisiche il materiale o il mezzo stesso, ma anche la frequenza del campo. Di norma, i libri di consultazione indicano il valore misurato per un campo statico o a bassa frequenza.
Esistono due tipi di costante dielettrica: assoluta e relativa.
Costante dielettrica relativa mostra il rapporto tra le proprietà isolanti (dielettriche) del materiale in studio e proprietà simili del vuoto. Caratterizza le proprietà isolanti di una sostanza allo stato gassoso, liquido o solido. Cioè, è applicabile a quasi tutti i dielettrici. Il valore della costante dielettrica relativa per le sostanze allo stato gassoso, di regola, è compreso tra 1. Per liquidi e solidi, può essere in un intervallo molto ampio, da 2 e quasi all'infinito.
Ad esempio, costante dielettrica relativa acqua dolceè pari a 80, e per i ferroelettrici – decine o addirittura centinaia di unità, a seconda delle proprietà del materiale.
Costante dielettrica assoluta è un valore costante. Caratterizza le proprietà isolanti di una particolare sostanza o materiale, indipendentemente dalla sua posizione e dai fattori esterni che lo influenzano.
La costante dielettrica, o meglio i suoi valori, vengono utilizzati nello sviluppo e nella progettazione di nuovi componenti elettronici, in particolare condensatori. Le dimensioni future e le caratteristiche elettriche del componente dipendono dal suo valore. Questo valore viene preso in considerazione anche durante lo sviluppo dell'intero schemi elettrici(specialmente nell'elettronica ad alta frequenza) e persino
Il fenomeno della polarizzazione si giudica dal valore della costante dielettrica ε. Il parametro ε, che caratterizza la capacità di un materiale di formare una capacità, è chiamato costante dielettrica relativa.
La parola “relativo” viene solitamente omessa. Va tenuto presente che la capacità elettrica della sezione isolante con elettrodi, ad es. condensatore dipende dalle dimensioni geometriche, dalla configurazione degli elettrodi e dalla struttura del materiale che costituisce il dielettrico di questo condensatore.
Nel vuoto ε = 1 e qualsiasi dielettrico è sempre maggiore di 1. Se C0 - em-
osso, tra le cui piastre c'è un vuoto di forma e dimensione arbitrarie, e C è la capacità di un condensatore della stessa dimensione e forma, ma riempito con un dielettrico con una costante dielettrica ε, quindi
Indicando con C0 la costante elettrica (F/m), pari a
С0 = 8.854.10-12,
troviamo la costante dielettrica assoluta
ε’ = ε0 .ε.
Determiniamo i valori di capacità per alcune forme di dielettrici.
Per condensatori a piastre parallele
С = ε0 ε S/h = 8.854 1О-12 ε S/h.
dove S è l'area della sezione trasversale dell'elettrodo, m2;
h - distanza tra gli elettrodi, m.
Significato pratico la costante dielettrica è molto alta. Determina non solo la capacità di un materiale di formare una capacità, ma è anche incluso in una serie di equazioni di base che caratterizzano i processi fisici che si verificano in un dielettrico.
La costante dielettrica dei gas, a causa della loro bassa densità (dovuta alle grandi distanze tra le molecole), è insignificante e prossima all'unità. Tipicamente la polarizzazione di un gas è elettronica o dipolare se le molecole sono polari. Maggiore è il raggio della molecola, maggiore è l'ε del gas. Una variazione del numero di molecole di gas per unità di volume di gas (n) con una variazione di temperatura e pressione provoca una variazione della costante dielettrica del gas. Il numero di molecole N è proporzionale alla pressione e inversamente proporzionale alla temperatura assoluta.
Quando l'umidità cambia, la costante dielettrica dell'aria cambia leggermente in maniera direttamente proporzionale alla variazione dell'umidità (a temperatura ambiente). A temperature elevate, l'effetto dell'umidità aumenta in modo significativo. La dipendenza dalla temperatura della costante dielettrica è caratterizzata dall'espressione
T K ε = 1 / ε (dε / dT).
Utilizzando questa espressione si può calcolare la variazione relativa della costante dielettrica con una variazione di temperatura di 1 0 K - il cosiddetto coefficiente di temperatura TC della costante dielettrica.
Il valore TC di un gas non polare si trova dalla formula
T K ε = (ε -1) / dT.
dove T è la temperatura. A.
La costante dielettrica dei liquidi dipende fortemente dalla loro struttura. I valori ε dei liquidi non polari sono piccoli e vicini al quadrato dell'indice di rifrazione della luce n 2. La costante dielettrica dei liquidi polari, utilizzati come dielettrici tecnici, varia da 3,5 a 5, che è notevolmente più alta rispetto a quello dei liquidi non polari.
Pertanto, la polarizzazione dei liquidi contenenti molecole di dipolo è determinata simultaneamente dalla polarizzazione elettronica e da rilassamento del dipolo.
I liquidi altamente polari sono caratterizzati da un valore ε elevato a causa della loro elevata conduttività. La dipendenza dalla temperatura di ε nei liquidi dipolari è più complessa che nei liquidi neutri.
Pertanto, ε ad una frequenza di 50 Hz per il bifenile clorurato (savol) aumenta rapidamente a causa di un forte calo della viscosità del liquido e del dipolo
le molecole hanno il tempo di orientarsi in seguito ad un cambiamento di temperatura.
La diminuzione di ε si verifica a causa dell'aumento del movimento termico delle molecole, che impedisce il loro orientamento nella direzione del campo elettrico.
I dielettrici si dividono in quattro gruppi in base al tipo di polarizzazione:
Il primo gruppo è a composizione singola, omogeneo, puro, senza additivi, dielettrici, che hanno principalmente polarizzazione elettronica o denso imballaggio di ioni. Questi includono dielettrici solidi non polari e debolmente polari in uno stato cristallino o amorfo, nonché liquidi e gas non polari e debolmente polari.
Il secondo gruppo è costituito dai dielettrici tecnici con polarizzazioni elettroniche, ioniche e contemporaneamente di rilassamento dipolare. Questi includono sostanze organiche semiliquide e solide polari (dipoli), ad esempio composti di olio-colofonia, cellulosa, resine epossidiche e materiali compositi realizzati con queste sostanze.
Il terzo gruppo sono i dielettrici tecnici con polarizzazioni ioniche ed elettroniche; i dielettrici con polarizzazioni di rilassamento elettroniche e ioniche sono divisi in due sottogruppi. Il primo sottogruppo comprende principalmente sostanze cristalline con uno stretto impaccamento di ioni ε< 3,0.
Il secondo sottogruppo comprende vetri inorganici e materiali contenenti una fase vetrosa, nonché sostanze cristalline con impaccamento sciolto di ioni.
Il quarto gruppo è costituito da ferroelettrici con polarizzazioni spontanee, elettroniche, ioniche, di rilassamento elettrone-ione, nonché migrazione o alta tensione per materiali compositi, complessi e stratificati.
4.Perdite dielettriche dei materiali isolanti elettrici. Tipi di perdite dielettriche.
Le perdite dielettriche sono la potenza dissipata in un dielettrico quando esposto a un campo elettrico e causando il riscaldamento del dielettrico.
Le perdite nei dielettrici si osservano come in Tensione CA e costante, poiché nel materiale viene rilevata una corrente passante dovuta alla conduttività. A tensione costante, quando non è presente polarizzazione periodica, la qualità del materiale è caratterizzata, come sopra indicato, dai valori di volume specifico e di resistenza superficiale. Con la tensione alternata, è necessario utilizzare qualche altra caratteristica della qualità del materiale, poiché in questo caso, oltre alla corrente passante, sorgono ulteriori motivi che causano perdite nel dielettrico.
Le perdite dielettriche in un materiale isolante elettrico possono essere caratterizzate da dissipazione di potenza per unità di volume o perdite specifiche; Più spesso, per valutare la capacità di un dielettrico di dissipare potenza in un campo elettrico, viene utilizzato l'angolo di perdita dielettrico, nonché la tangente di questo angolo.
Riso. 3-1. Dipendenza della carica dalla tensione per un dielettrico lineare senza perdite (a), con perdite (b)
L'angolo di perdita dielettrica è l'angolo che complementa fino a 90° l'angolo di sfasamento tra corrente e tensione in un circuito capacitivo. Per un dielettrico ideale, il vettore corrente in un tale circuito anticipa il vettore tensione di 90°, mentre l'angolo di perdita dielettrica sarà zero. Maggiore è la potenza dissipata nel dielettrico, che si trasforma in calore, minore è l'angolo di sfasamento e maggiore è l'angolo e la sua funzione tg.
Dalla teoria delle correnti alternate è noto che la potenza attiva
Ra = UI cos (3-1)
Esprimiamo le potenze per i circuiti in serie e in parallelo in termini di capacità Cs e Cp e di angolo , che è il complemento dell'angolo fino a 90°.
Per circuito sequenziale, utilizzando l'espressione (3-1) e il corrispondente diagramma vettoriale, abbiamo
P un = (3-2)
tg = Csrs (3-3)
Per circuito parallelo
P un = UI un = U 2 C p tg (3-4)
tg = (3-5)
Uguagliando le espressioni (3-2) e (3-4), nonché (3-3) e (3-5), troviamo le relazioni tra Cp e Cs e tra rp e rs
Cp =Cs/1+tg2 (3-6)
r p = r s (1+ 1/ tg 2 ) (3-7)
Per dielettrici di alta qualità si può trascurare il valore di tg2 rispetto all'unità nella formula (3-8) e considerare Cp Cs C. Le espressioni per la potenza dissipata nel dielettrico, in questo caso, saranno le stesse per entrambi i circuiti:
P un U 2 C tg (3-8)
dove Ra è la potenza attiva, W; U - tensione, V; - frequenza angolare, s-1; C - capacità, F.
La resistenza rr in un circuito parallelo, come segue dall'espressione (3-7), è molte volte maggiore della resistenza rs. L'espressione per le perdite dielettriche specifiche, cioè la potenza dissipata per unità di volume del dielettrico, ha la forma:
(3-9)
dove p - perdite specifiche, W/m3; =2 - frequenza angolare, s-1, E - intensità del campo elettrico, V/m.
Infatti, la capacità tra le facce opposte di un cubo con lato di 1 m sarà
C1 = 0 r, componente reattiva della conduttività
(3-10)
un componente attivo
Dopo aver determinato con qualche metodo ad una certa frequenza i parametri del circuito equivalente del dielettrico in studio (Cp e rr o Cs e rs), l caso generaleÈ impossibile considerare i valori ottenuti di capacità e resistenza come inerenti a un dato condensatore e utilizzare questi dati per calcolare l'angolo di perdita a una frequenza diversa. Un calcolo del genere può essere effettuato solo se il circuito equivalente ha una determinata base fisica. Quindi, ad esempio, se è noto per un dato dielettrico che le perdite in esso sono determinate solo dalle perdite dovute alla conduttività elettrica in un'ampia gamma di frequenze, allora l'angolo di perdita di un condensatore con tale dielettrico può essere calcolato per qualsiasi frequenza giacente in questo intervallo
tg =1/Crp (3-12)
dove C e rp sono capacità e resistenza costanti misurate ad una determinata frequenza.
Le perdite in un tale condensatore, come è facile vedere, non dipendono dalla frequenza:
Pa=U2/rp (3-13)
al contrario, se le perdite nel condensatore sono determinate principalmente dalla resistenza dei fili di alimentazione, nonché dalla resistenza degli elettrodi stessi (ad esempio un sottile strato d'argento), la potenza dissipata in tale condensatore sarà aumento proporzionale al quadrato della frequenza:
Pa=U2 C tg =U2 C Crs=U2 2C2rs (3-14)
Dall'ultima espressione possiamo ricavare una cosa molto importante conclusione pratica: i condensatori destinati al funzionamento ad alte frequenze dovrebbero avere la resistenza più bassa possibile, sia degli elettrodi che dei fili di collegamento e dei contatti di transizione.
Le perdite dielettriche, in base alle loro caratteristiche e natura fisica, possono essere suddivise in quattro tipologie principali:
1) perdite dielettriche dovute alla polarizzazione;
2) perdite dielettriche dovute alla conduttività elettrica passante;
perdite dielettriche per ionizzazione;
perdite dielettriche dovute a disomogeneità strutturale.
Le perdite dielettriche causate dalla polarizzazione sono particolarmente chiaramente osservate nelle sostanze con polarizzazione di rilassamento: nei dielettrici di una struttura dipolare e nei dielettrici di una struttura ionica con impaccamento sciolto di ioni.
Le perdite dielettriche da rilassamento sono causate dall'interruzione del movimento termico delle particelle sotto l'influenza delle forze del campo elettrico.
Le perdite dielettriche osservate nei ferroelettrici sono associate al fenomeno della polarizzazione spontanea. Pertanto, le perdite nei materiali ferroelettrici sono significative a temperature inferiori al punto di Curie, quando si osserva la polarizzazione spontanea. A temperature superiori al punto di Curie, le perdite nei materiali ferroelettrici diminuiscono. L'invecchiamento elettrico di un ferroelettrico è accompagnato da una leggera diminuzione delle perdite nel tempo.
Le perdite dielettriche causate dalla polarizzazione includono anche le cosiddette perdite risonanti che compaiono nei dielettrici alle alte frequenze. Questo tipo di perdita si osserva con particolare chiarezza in alcuni gas a una frequenza strettamente definita e si esprime in un intenso assorbimento dell'energia del campo elettrico.
Perdite per risonanza sono possibili anche nei solidi se la frequenza delle oscillazioni forzate causate da un campo elettrico coincide con la frequenza naturale delle particelle solido. La presenza di un massimo nella dipendenza dalla frequenza di tg è anche caratteristica del meccanismo di perdita risonante, ma in in questo caso la temperatura non influenza la posizione del massimo.
Le perdite dielettriche dovute alla conduttività elettrica passante si trovano nei dielettrici che hanno un volume notevole o una conduttività superficiale.
La tangente della perdita dielettrica in questo caso può essere calcolata utilizzando la formula
Le perdite dielettriche di questo tipo non dipendono dalla frequenza del campo; tg diminuisce con la frequenza secondo una legge iperbolica.
Le perdite dielettriche dovute alla conduttività elettrica aumentano con la temperatura secondo una legge esponenziale
PaT=Aexp(-b/T) (3-16)
dove A, b sono costanti materiali. La formula (3-16) può essere riscritta approssimativamente come segue:
PaT=Pa0exp( t) (3-17)
dove PaT - perdite alla temperatura t, °C; Pa0 - perdite alla temperatura di 0°C; - costante materiale.
La tangente di perdita dielettrica varia con la temperatura secondo la stessa legge utilizzata per approssimare la dipendenza dalla temperatura di Pa, poiché la variazione di temperatura nella capacità può essere trascurata.
Le perdite dielettriche per ionizzazione sono caratteristiche dei dielettrici e dello stato gassoso; Le perdite per ionizzazione si manifestano in campi elettrici non uniformi con intensità superiori al valore corrispondente all'inizio della ionizzazione di un dato gas. Le perdite per ionizzazione possono essere calcolate utilizzando la formula
Pa.u=A1f(U-Ui)3 (3-18)
dove A1- coefficiente costante; f - frequenza del campo; U - tensione applicata; Ui è la tensione corrispondente all'inizio della ionizzazione.
La formula (3-18) è valida per U > Ui e una dipendenza lineare di tg da E. La tensione di ionizzazione Ui dipende dalla pressione alla quale si trova il gas, poiché lo sviluppo della ionizzazione per impatto delle molecole è legato alla media libera percorso dei portatori di carica.
Perdite dielettriche dovute a disomogeneità strutturale si osservano nei dielettrici stratificati, nella carta e nel tessuto impregnati, nella plastica caricata, nella ceramica porosa nella micanite, nel micalex, ecc.
A causa della diversità della struttura dei dielettrici disomogenei e delle caratteristiche dei componenti in essi contenuti, non esiste una formula generale per il calcolo delle perdite dielettriche di questo tipo.
La costante dielettrica la costante dielettrica
il valore ε, che mostra quante volte la forza di interazione tra due cariche elettriche in un mezzo è inferiore che nel vuoto. In un mezzo isotropo, ε è legato alla suscettibilità dielettrica χ dalla relazione: ε = 1 + 4π χ. La costante dielettrica di un mezzo anisotropo è un tensore. La costante dielettrica dipende dalla frequenza del campo; in forti campi elettrici, la costante dielettrica inizia a dipendere dall'intensità del campo.
LA COSTANTE DIELETTRICACONTINUITÀ DIELETTRICA, una quantità adimensionale e, che mostra quante volte la forza di interazione F tra le cariche elettriche in un dato mezzo è inferiore alla loro forza di interazione F o nel vuoto:
e =F o /F.
La costante dielettrica mostra quante volte il campo viene attenuato dal dielettrico (cm. DIELETTRICI), che caratterizza quantitativamente la proprietà di un dielettrico di essere polarizzato in un campo elettrico.
Il valore della costante dielettrica relativa di una sostanza, che caratterizza il grado della sua polarizzabilità, è determinato dai meccanismi di polarizzazione (cm. POLARIZZAZIONE). Tuttavia, il valore dipende in gran parte da stato di aggregazione sostanze, poiché durante le transizioni da uno stato all'altro la densità della sostanza, la sua viscosità e isotropia cambiano in modo significativo (cm. ISOTROPIA).
Costante dielettrica dei gas
Le sostanze gassose sono caratterizzate da densità molto basse a causa delle grandi distanze tra le molecole. Per questo motivo, la polarizzazione di tutti i gas è insignificante e la loro costante dielettrica è vicina all'unità. La polarizzazione di un gas può essere puramente elettronica o dipolare se le molecole del gas sono polari, tuttavia in questo caso la polarizzazione elettronica è di primaria importanza. La polarizzazione di vari gas è tanto maggiore quanto maggiore è il raggio della molecola del gas ed è numericamente vicina al quadrato dell'indice di rifrazione di questo gas.
La dipendenza di un gas dalla temperatura e dalla pressione è determinata dal numero di molecole per unità di volume del gas, che è proporzionale alla pressione e inversamente proporzionale alla temperatura assoluta.
L'aria in condizioni normali ha e = 1.0006 e il suo coefficiente di temperatura ha un valore di circa 2. 10 -6 K -1 .
Costante dielettrica dei dielettrici liquidi
I dielettrici liquidi possono essere costituiti da molecole non polari o polari. Il valore e dei liquidi non polari è determinato dalla polarizzazione elettronica, quindi è piccolo, vicino al valore del quadrato della rifrazione della luce e solitamente non supera 2,5. La dipendenza di e di un liquido non polare dalla temperatura è associata a una diminuzione del numero di molecole per unità di volume, cioè a una diminuzione della densità, e il suo coefficiente di temperatura è vicino al coefficiente di temperatura dell'espansione volumetrica del liquido, ma differisce nel segno.
La polarizzazione dei liquidi contenenti molecole di dipolo è determinata simultaneamente dai componenti elettronici e di rilassamento del dipolo. Tali liquidi hanno una costante dielettrica tanto più elevata più valore momento elettrico dei dipoli (cm. DIPOLO) e maggiore è il numero di molecole per unità di volume. La dipendenza dalla temperatura nel caso dei liquidi polari è complessa.
Costante dielettrica dei dielettrici solidi
Nei solidi può assumere diversi valori numerici in accordo con la varietà delle caratteristiche strutturali del dielettrico solido. Nei dielettrici solidi sono possibili tutti i tipi di polarizzazione.
Il valore più piccolo di e si trova nei dielettrici solidi costituiti da molecole non polari e aventi solo polarizzazione elettronica.
I dielettrici solidi, che sono cristalli ionici con un denso impaccamento di particelle, hanno polarizzazioni elettroniche e ioniche e hanno valori e che rientrano in un ampio intervallo (e salgemma - 6; e corindone - 10; e rutilo - 110; e titanato di calcio -150).
e di vari vetri inorganici, che si avvicinano alla struttura dei dielettrici amorfi, si trova in un intervallo relativamente ristretto da 4 a 20.
I dielettrici organici polari hanno polarizzazione di rilassamento del dipolo allo stato solido. L'utilizzo di questi materiali dipende in larga misura dalla temperatura e dalla frequenza della tensione applicata, obbedendo alle stesse leggi dei liquidi dipolari.
Dizionario enciclopedico. 2009 .
Il valore di e, che mostra quante volte la forza di interazione tra due cariche elettriche in un mezzo è inferiore a quella nel vuoto. In un mezzo isotropo e è legato alla suscettività dielettrica con la relazione: e = 1 + 4pc. La costante dielettrica… … Grande dizionario enciclopedico
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- (designazione e), in fisica una delle proprietà vari materiali(vedi DIELETTRICO). È espresso dal rapporto tra la densità del FLUSSO ELETTRICO nel mezzo e l'intensità del CAMPO ELETTRICO che lo provoca. Costante dielettrica del vuoto... ... Dizionario enciclopedico scientifico e tecnico
la costante dielettrica- Una quantità che caratterizza le proprietà dielettriche di una sostanza, scalare per una sostanza isotropa e tensore per una sostanza anisotropa, il cui prodotto per l'intensità del campo elettrico è uguale allo spostamento elettrico. [GOST R 52002 2003]… … Guida del traduttore tecnico
La costante dielettrica- CONTINUITÀ DIELETTRICA, il valore e, che mostra quante volte la forza di interazione di due cariche elettriche in un mezzo è inferiore che nel vuoto. Il valore di e varia ampiamente: idrogeno 1.00026, olio per trasformatori 2.24, ... ... Dizionario enciclopedico illustrato
La costante dielettrica- una quantità che caratterizza le proprietà dielettriche di una sostanza, scalare per una sostanza isotropa e tensore per una sostanza anisotropa, il cui prodotto per l'intensità del campo elettrico è uguale allo spostamento elettrico... Fonte:... ... Terminologia ufficiale
la costante dielettrica- costante dielettrica assoluta; industria costante dielettrica Una quantità scalare che caratterizza le proprietà elettriche di un dielettrico pari al rapporto tra l'entità dello spostamento elettrico e l'entità dell'intensità del campo elettrico... Dizionario esplicativo terminologico del Politecnico
Costante dielettrica assoluta Costante dielettrica relativa Costante dielettrica del vuoto ... Wikipedia
la costante dielettrica- dielektrinė skvarba statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektrinio srauto tankio tiriamojoje medžiagoje ir elektrinio lauko stiprio santykis. atikmenys: ingl. costante dielettrica; permettività dielettrica; permettività rus. dielettrico... ... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Qualsiasi sostanza o corpo che ci circonda ha determinate proprietà elettriche. Ciò è spiegato dalla struttura molecolare e atomica: la presenza di particelle cariche che si trovano in uno stato reciprocamente legato o libero.
Quando sulla sostanza non agisce alcun campo elettrico esterno, queste particelle sono distribuite in modo tale da bilanciarsi tra loro e non creare un campo elettrico aggiuntivo in tutto il volume. Quando l'energia elettrica viene applicata dall'esterno, all'interno delle molecole e degli atomi avviene una ridistribuzione della carica, che porta alla creazione di un proprio campo elettrico interno, diretto in senso contrario a quello esterno.
Se il vettore del campo esterno applicato è indicato con “E0” e il campo interno con “E””, allora il campo totale “E” sarà la somma dell'energia di queste due quantità.
Nell'elettricità è consuetudine dividere le sostanze in:
conduttori;
dielettrici.
Questa classificazione esiste da molto tempo, anche se è piuttosto arbitraria perché molti corpi hanno proprietà diverse o combinate.
Conduttori
I media che hanno tariffe gratuite fungono da conduttori. Molto spesso, i metalli agiscono come conduttori, perché la loro struttura contiene sempre elettroni liberi, che sono in grado di muoversi all'interno dell'intero volume della sostanza e, allo stesso tempo, partecipano ai processi termici.
Quando un conduttore è isolato dall'azione dei campi elettrici esterni, in esso viene creato un equilibrio di cariche positive e negative da reticoli ionici ed elettroni liberi. Questo equilibrio viene immediatamente distrutto dopo l'applicazione, grazie alla cui energia inizia la ridistribuzione delle particelle cariche e sulla superficie esterna compaiono cariche sbilanciate di quantità positive e negative.
Questo fenomeno viene solitamente chiamato induzione elettrostatica. Vengono chiamate le cariche che si formano sulla superficie dei metalli spese di induzione.
Le cariche induttive formate nel conduttore formano il proprio campo E, compensando l'effetto dell'E0 esterno all'interno del conduttore. Pertanto, il valore del campo elettrostatico totale è compensato e pari a 0. In questo caso, i potenziali di tutti i punti. sia l'interno che l'esterno sono gli stessi.
L'output risultante indica che è all'interno del conduttore, anche quando collegato campo esterno, non vi è alcuna differenza di potenziale e nessun campo elettrostatico. Questo fatto viene utilizzato nella schermatura - l'applicazione di un metodo di protezione elettrostatica di persone e apparecchiature elettriche sensibili ai campi indotti, in particolare ad alta precisione strumenti di misura e tecnologia a microprocessore.
Gli indumenti schermati e le calzature realizzati con tessuti con fili conduttivi, compresi i copricapi, vengono utilizzati nel settore energetico per proteggere il personale che lavora in condizioni di maggiore tensione creata da apparecchiature ad alta tensione.
Dielettrici
Questo è il nome dato alle sostanze che hanno proprietà isolanti. Contengono solo oneri interconnessi e non oneri gratuiti. Per loro, tutte le particelle positive e negative sono tenute insieme all'interno di un atomo neutro e sono private della libertà di movimento. Sono distribuiti all'interno del dielettrico e non si muovono sotto l'azione del campo esterno applicato E0.
Tuttavia, la sua energia provoca ancora alcuni cambiamenti nella struttura della sostanza: all'interno degli atomi e delle molecole cambia il rapporto tra particelle positive e negative e sulla superficie della sostanza compaiono cariche legate in eccesso e sbilanciate, che formano un campo elettrico interno E. È diretto in contrasto con la tensione applicata esternamente.
Questo fenomeno si chiama polarizzazione dielettrica. È caratterizzato dal fatto che all'interno della sostanza appare un campo elettrico E, formato dall'azione dell'energia esterna E0, ma indebolito dalla contrazione dell'energia interna E."
Tipi di polarizzazione
All'interno dei dielettrici è di due tipi:
1. orientamento;
2. elettronico.
Il primo tipo ha il nome aggiuntivo di polarizzazione dipolare. È inerente ai dielettrici con centri spostati di cariche negative e positive, che formano molecole da dipoli microscopici - una combinazione neutra di due cariche. Questo è tipico dell'acqua, del biossido di azoto e dell'idrogeno solforato.
Senza l'azione di un campo elettrico esterno, i dipoli molecolari di tali sostanze sono orientati in modo caotico sotto l'influenza dei processi di temperatura esistenti. In questo caso in qualsiasi punto del volume interno e sulla superficie esterna del dielettrico non è presente carica elettrica.
Questa immagine cambia sotto l'influenza dell'energia applicata esternamente, quando i dipoli cambiano leggermente il loro orientamento e sulla superficie appaiono regioni di cariche macroscopiche legate non compensate, formando un campo E" nella direzione opposta all'E0 applicato.
Con tale polarizzazione grande influenza i processi sono influenzati dalla temperatura, provocando movimenti termici e creando fattori di disorientamento.
Polarizzazione elettronica, meccanismo elastico
Si manifesta in dielettrici non polari - materiali di tipo diverso con molecole prive di momento dipolare che, sotto l'influenza di un campo esterno, sono deformate in modo tale che le cariche positive siano orientate nella direzione del vettore E0 e negative le cariche sono orientate nella direzione opposta.
Di conseguenza, ciascuna molecola agisce come un dipolo elettrico, orientato lungo l'asse del campo applicato. In questo modo creano sulla superficie esterna il proprio campo E" in direzione opposta.
In tali sostanze, la deformazione delle molecole e, di conseguenza, la polarizzazione dovuta all'influenza di un campo esterno, non dipende dal loro movimento sotto l'influenza della temperatura. Un esempio di dielettrico non polare è il metano CH4.
Il valore numerico del campo interno di entrambi i tipi di dielettrici cambia inizialmente in modo direttamente proporzionale all'aumento del campo esterno, poi, raggiunta la saturazione, compaiono effetti non lineari. Si verificano quando tutti i dipoli molecolari sono allineati linee elettriche nei dielettrici polari o si sono verificati cambiamenti nella struttura di una sostanza non polare a causa della forte deformazione di atomi e molecole dovuta a una grande energia applicata esternamente.
In pratica, questi casi si verificano raramente: di solito si verifica prima un guasto o un guasto dell'isolamento.
La costante dielettrica
Tra i materiali isolanti, un ruolo importante è giocato dalle caratteristiche elettriche e da indicatori come la costante dielettrica. Può essere valutato in base a due diverse caratteristiche:
1. valore assoluto;
2. dimensione relativa.
Il termine costante dielettrica assoluta le sostanze εa vengono utilizzate quando si fa riferimento alla notazione matematica della legge di Coulomb. Sotto forma di coefficiente εа, collega il vettore di induzione D e la tensione E.
Ricordiamo che il fisico francese Charles de Coulomb, utilizzando le proprie bilance di torsione, studiò gli schemi delle forze elettriche e magnetiche tra piccoli corpi carichi.
La determinazione della costante dielettrica relativa di un mezzo viene utilizzata per caratterizzare le proprietà isolanti di una sostanza. Stima il rapporto della forza di interazione tra due cariche puntiformi pari a due condizioni diverse: nel vuoto e nell'ambiente di lavoro. In questo caso gli indicatori di vuoto sono presi pari a 1 (εv=1), e per le sostanze reali sono sempre più alti, εr>1.
L'espressione numerica εr viene visualizzata come una quantità adimensionale, è spiegata dall'effetto di polarizzazione dei dielettrici e viene utilizzata per valutare le loro caratteristiche.
Valori della costante dielettrica per i singoli mezzi(a temperatura ambiente)
| Sostanza | ε | Sostanza | ε |
| Sale di Rochelle | 6000 | Diamante | 5,7 |
| Rutilo (lungo l'asse ottico) | 170 | Acqua | 81 |
| Polietilene | 2,3 | Etanolo | 26,8 |
| Silicio | 12,0 | Mica | 6 |
| Bicchiere | 5-16 | Diossido di carbonio | 1,00099 |
| NaCl | 5,26 | vapore acqueo | 1,0126 |
| Benzene | 2,322 | Aria (760 mmHg) | 1,00057 |
CONTINUITÀ DIELETTRICA, un valore ε che caratterizza la polarizzazione dei dielettrici sotto l'influenza di un campo elettrico di intensità E. La costante dielettrica è inclusa nella legge di Coulomb come una quantità che mostra quante volte la forza di interazione tra due cariche libere in un dielettrico è inferiore a nel vuoto. L'indebolimento dell'interazione avviene a causa dello schermo delle cariche libere da parte di quelle legate formate a seguito della polarizzazione del mezzo. Le cariche legate si formano come risultato della ridistribuzione spaziale microscopica delle cariche (elettroni, ioni) in un ambiente generalmente elettricamente neutro.
La relazione tra i vettori di polarizzazione P, l'intensità del campo elettrico E e l'induzione elettrica D in un mezzo isotropo nel sistema SI ha la forma:
dove ε 0 è la costante elettrica. Il valore della costante dielettrica ε dipende dalla struttura e Composizione chimica sostanze, nonché pressione, temperatura e altro condizioni esterne(tavolo).
Per i gas il suo valore è vicino a 1, per i liquidi e solidi varia da alcune unità a diverse decine; per i ferroelettrici può arrivare a 10 4 . Questa dispersione di valori ε è dovuta a diversi meccanismi di polarizzazione che si verificano in diversi dielettrici.
La teoria microscopica classica porta ad un'espressione approssimativa per la costante dielettrica dei dielettrici non polari:
dove n i è la concentrazione dell'i-esimo tipo di atomi, ioni o molecole, α i è la loro polarizzabilità, β i è il cosiddetto fattore di campo interno, dovuto alle caratteristiche strutturali del cristallo o della sostanza. Per la maggior parte dei dielettrici con una costante dielettrica compresa tra 2 e 8, β = 1/3. Tipicamente, la costante dielettrica è praticamente indipendente dall'entità del campo elettrico applicato fino alla rottura elettrica del dielettrico. Gli elevati valori di ε di alcuni ossidi metallici e altri composti sono dovuti alle peculiarità della loro struttura, che consente, sotto l'influenza del campo E, uno spostamento collettivo del positivo e ioni negativi in direzioni opposte e la formazione di significative cariche legate al confine del cristallo.
Il processo di polarizzazione di un dielettrico quando viene applicato un campo elettrico non si sviluppa istantaneamente, ma in un periodo di tempo τ (tempo di rilassamento). Se il campo E cambia nel tempo t secondo una legge armonica con una frequenza ω, allora la polarizzazione del dielettrico non ha il tempo di seguirlo e tra le oscillazioni P ed E appare una differenza di fase δ. Quando si descrivono le oscillazioni di P ed E utilizzando il metodo delle ampiezze complesse, la costante dielettrica è rappresentata come una quantità complessa:
ε = ε’ + iε",
Inoltre, ε' e ε" dipendono da ω e τ, e il rapporto ε"/ε' = tan δ determina le perdite dielettriche nel mezzo. Lo sfasamento δ dipende dal rapporto τ e dal periodo di campo T = 2π/ω. A 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 (alte frequenze), la polarizzazione non tiene il passo con il cambiamento Ε, δ → π e ε’ in questo caso denotano ε (∞) (il meccanismo di polarizzazione è “spento”). È ovvio che ε (0) > ε (∞), e nei campi alternati la costante dielettrica risulta essere funzione di ω. Vicino a ω = l/τ, ε’ cambia da ε (0) a ε (∞) (regione di dispersione) e la dipendenza da tanδ(ω) passa attraverso un massimo.
La natura delle dipendenze ε’(ω) e tanδ(ω) nella regione di dispersione è determinata dal meccanismo di polarizzazione. Nel caso di polarizzazioni ioniche ed elettroniche con spostamento elastico delle cariche legate, la variazione di P(t) con inclusione graduale del campo E ha il carattere di oscillazioni smorzate e le dipendenze ε'(ω) e tanδ(ω) sono chiamate risonante. Nel caso della polarizzazione orientativa, l’instaurarsi di P(t) è esponenziale, e le dipendenze ε’(ω) e tanδ(ω) sono chiamate rilassamento.
I metodi per misurare la polarizzazione dielettrica si basano sui fenomeni di interazione del campo elettromagnetico con i momenti di dipolo elettrico delle particelle di materia e sono diversi per le diverse frequenze. La maggior parte dei metodi a ω ≤ 10 8 Hz si basano sul processo di carica e scarica di un condensatore di misura riempito con il dielettrico in esame. A frequenze più elevate vengono utilizzati metodi a guida d'onda, risonanti, multifrequenza e altri.
In alcuni dielettrici, ad esempio i ferroelettrici, il rapporto proporzionale tra P ed E [P = ε 0 (ε ‒ 1)E] e, quindi, tra D ed E è violato già nei campi elettrici ordinari realizzati nella pratica. Formalmente, questo è descritto come la dipendenza ε(Ε) ≠ const. In questo caso, una caratteristica elettrica importante del dielettrico è la costante dielettrica differenziale:
Nei dielettrici non lineari, il valore di ε diff viene solitamente misurato in campi alternati deboli con la contemporanea applicazione di un forte campo costante, e la componente variabile ε diff è chiamata costante dielettrica reversibile.
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