A constante dielétrica - este é um dos principais parâmetros que caracterizam as propriedades elétricas dos dielétricos. Em outras palavras, determina quão bom é um isolante de um determinado material.
O valor da constante dielétrica mostra a dependência da indução elétrica no dielétrico da intensidade do campo elétrico que atua sobre ele. Além disso, seu valor é influenciado não apenas propriedades físicas o próprio material ou meio, mas também a frequência do campo. Via de regra, os livros de referência indicam o valor medido para um campo estático ou de baixa frequência.
Existem dois tipos de constante dielétrica: absoluta e relativa.
Constante dielétrica relativa mostra a relação entre as propriedades isolantes (dielétricas) do material em estudo e propriedades semelhantes do vácuo. Caracteriza as propriedades isolantes de uma substância nos estados gasoso, líquido ou sólido. Ou seja, é aplicável a quase todos os dielétricos. O valor da constante dielétrica relativa para substâncias no estado gasoso, via de regra, está na faixa de 1. Para líquidos e sólidos, pode estar em uma faixa muito ampla - de 2 e quase ao infinito.
Por exemplo, constante dielétrica relativa água frescaé igual a 80, e para ferroelétricos – dezenas ou até centenas de unidades, dependendo das propriedades do material.
Constante dielétrica absoluta é um valor constante. Caracteriza as propriedades isolantes de uma determinada substância ou material, independentemente de sua localização e dos fatores externos que o afetam.
A constante dielétrica, ou melhor, seus valores, são utilizados no desenvolvimento e projeto de novos componentes eletrônicos, em particular capacitores. As dimensões futuras e características elétricas do componente dependem do seu valor. Este valor também é levado em consideração no desenvolvimento de todo diagramas elétricos(especialmente em eletrônica de alta frequência) e até mesmo
O fenômeno da polarização é julgado pelo valor da constante dielétrica ε. O parâmetro ε, que caracteriza a capacidade de um material formar uma capacitância, é denominado constante dielétrica relativa.
A palavra “relativo” geralmente é omitida. Deve-se levar em consideração que a capacitância elétrica da seção de isolamento com eletrodos, ou seja, capacitor depende das dimensões geométricas, da configuração dos eletrodos e da estrutura do material que forma o dielétrico deste capacitor.
No vácuo ε = 1, e qualquer dielétrico é sempre maior que 1. Se C0 - em-
osso, entre cujas placas existe um vácuo de formato e tamanho arbitrários, e C é a capacitância de um capacitor do mesmo tamanho e formato, mas preenchido com um dielétrico com constante dielétrica ε, então
Denotando por C0 a constante elétrica (F/m), igual a
C0 = 8.854.10-12,
vamos encontrar a constante dielétrica absoluta
ε’ = ε0 .ε.
Vamos determinar os valores de capacitância para algumas formas de dielétricos.
Para capacitor de placas paralelas
С = ε0 ε S/h = 8,854 1О-12 ε S/h.
onde S é a área da seção transversal do eletrodo, m2;
h - distância entre eletrodos, m.
Significado prático constante dielétrica é muito alta. Ele determina não apenas a capacidade de um material formar uma capacitância, mas também está incluído em uma série de equações básicas que caracterizam os processos físicos que ocorrem em um dielétrico.
A constante dielétrica dos gases, devido à sua baixa densidade (devido às grandes distâncias entre as moléculas), é insignificante e próxima da unidade. Normalmente a polarização de um gás é eletrônica ou dipolo se as moléculas forem polares. Quanto maior o raio da molécula, maior será o ε do gás. Uma mudança no número de moléculas de gás por unidade de volume de gás (n) com uma mudança na temperatura e pressão causa uma mudança na constante dielétrica do gás. O número de moléculas N é proporcional à pressão e inversamente proporcional à temperatura absoluta.
Quando a umidade muda, a constante dielétrica do ar muda ligeiramente em proporção direta à mudança na umidade (à temperatura ambiente). Em temperaturas elevadas, o efeito da umidade aumenta significativamente. A dependência da constante dielétrica com a temperatura é caracterizada pela expressão
T K ε = 1 / ε (dε / dT).
Usando esta expressão, você pode calcular a mudança relativa na constante dielétrica com uma mudança de temperatura de 1 0 K - o chamado coeficiente de temperatura TC da constante dielétrica.
O valor TC de um gás apolar é encontrado pela fórmula
T K ε = (ε -1) / dT.
onde T é a temperatura. PARA.
A constante dielétrica dos líquidos depende fortemente de sua estrutura. Os valores de ε de líquidos apolares são pequenos e próximos ao quadrado do índice de refração da luz n 2. A constante dielétrica dos líquidos polares, que são usados como dielétricos técnicos, varia de 3,5 a 5, que é visivelmente maior do que a dos líquidos apolares.
Assim, a polarização de líquidos contendo moléculas dipolo é determinada simultaneamente por polarizações eletrônicas e de relaxamento dipolo.
Líquidos altamente polares são caracterizados por um alto valor de ε devido à sua alta condutividade. A dependência de ε com a temperatura em líquidos dipolo é mais complexa do que em líquidos neutros.
Portanto, ε a uma frequência de 50 Hz para bifenil clorado (savol) aumenta rapidamente devido a uma queda acentuada na viscosidade do líquido, e o dipolo
as moléculas têm tempo para se orientar após uma mudança na temperatura.
A diminuição de ε ocorre devido ao aumento do movimento térmico das moléculas, o que impede sua orientação na direção do campo elétrico.
Os dielétricos são divididos em quatro grupos de acordo com o tipo de polarização:
O primeiro grupo é de composição única, homogênea, pura, sem aditivos, dielétricos, que possuem principalmente polarização eletrônica ou empacotamento denso de íons. Estes incluem dielétricos sólidos não polares e fracamente polares em estado cristalino ou amorfo, bem como líquidos e gases não polares e fracamente polares.
O segundo grupo são dielétricos técnicos com polarizações eletrônicas, iônicas e simultaneamente de relaxamento dipolo. Estes incluem substâncias orgânicas semilíquidas e sólidas polares (dipolos), por exemplo, compostos de óleo-resina, celulose, resinas epóxi e materiais compósitos feitos a partir dessas substâncias.
O terceiro grupo são dielétricos técnicos com polarizações iônicas e eletrônicas; dielétricos com polarizações de relaxação eletrônica e iônica são divididos em dois subgrupos. O primeiro subgrupo inclui principalmente substâncias cristalinas com empacotamento próximo de íons ε< 3,0.
O segundo subgrupo inclui vidros inorgânicos e materiais contendo uma fase vítrea, bem como substâncias cristalinas com empacotamento solto de íons.
O quarto grupo consiste em ferroelétricos com polarizações espontâneas, eletrônicas, iônicas, de relaxamento elétron-íon, bem como migração ou alta tensão para materiais compósitos, complexos e em camadas.
4.Perdas dielétricas de materiais isolantes elétricos. Tipos de perdas dielétricas.
As perdas dielétricas são a energia dissipada em um dielétrico quando exposto a um campo elétrico e causando aquecimento do dielétrico.
Perdas em dielétricos são observadas em Tensão CA, e constante, uma vez que uma corrente de passagem devido à condutividade é detectada no material. Em tensão constante, quando não há polarização periódica, a qualidade do material é caracterizada, conforme indicado acima, pelos valores de volume específico e resistência superficial. Com a tensão alternada, é necessário utilizar alguma outra característica da qualidade do material, pois neste caso, além da corrente passante, surgem motivos adicionais que causam perdas no dielétrico.
As perdas dielétricas em um material isolante elétrico podem ser caracterizadas pela dissipação de energia por unidade de volume ou por perdas específicas; Mais frequentemente, para avaliar a capacidade de um dielétrico de dissipar potência em um campo elétrico, é utilizado o ângulo de perda dielétrica, bem como a tangente desse ângulo.
Arroz. 3-1. Dependência da carga da tensão para um dielétrico linear sem perdas (a), com perdas (b)
O ângulo de perda dielétrica é o ângulo que complementa até 90° o ângulo de mudança de fase entre corrente e tensão em um circuito capacitivo. Para um dielétrico ideal, o vetor de corrente em tal circuito estará adiantado em 90° em relação ao vetor de tensão, enquanto o ângulo de perda dielétrica será zero. Quanto maior a potência dissipada no dielétrico, que se transforma em calor, menor será o ângulo de mudança de fase e maior será o ângulo e sua função tg.
Da teoria correntes alternadas sabe-se que a potência ativa
Ra = UI cos (3-1)
Vamos expressar as potências para circuitos em série e paralelo em termos de capacitâncias Cs e Cp e do ângulo , que é o complemento do ângulo até 90°.
Para circuito sequencial, usando a expressão (3-1) e o diagrama vetorial correspondente, temos
Pa = (3-2)
tg = C s r s (3-3)
Para circuito paralelo
P a =UI a =U 2 C p tg (3-4)
tg = (3-5)
Equacionando as expressões (3-2) e (3-4), bem como (3-3) e (3-5), encontramos as relações entre Cp e Cs e entre rp e rs
C p =C s /1+tg 2 (3-6)
r p = r s (1+ 1/ tg 2 ) (3-7)
Para dielétricos de alta qualidade, você pode desprezar o valor de tg2 comparado à unidade na fórmula (3-8) e considerar Cp Cs C. As expressões para a potência dissipada no dielétrico, neste caso, serão as mesmas para ambos os circuitos:
P e U 2 C tg (3-8)
onde Ra é potência ativa, W; você - tensão, V; - frequência angular, s-1; C - capacidade, F.
A resistência rr em um circuito paralelo, como segue da expressão (3-7), é muitas vezes maior que a resistência rs. A expressão para perdas dielétricas específicas, ou seja, a potência dissipada por unidade de volume do dielétrico, tem a forma:
(3-9)
onde p - perdas específicas, W/m3; =2 - frequência angular, s-1, E - intensidade do campo elétrico, V/m.
Na verdade, a capacidade entre faces opostas de um cubo com lado de 1 m será
C1 = 0 r, componente reativo da condutividade
(3-10)
um componente ativo
Tendo determinado por algum método a uma determinada frequência os parâmetros do circuito equivalente do dielétrico em estudo (Cp e rr ou Cs e rs), l caso GeralÉ impossível considerar os valores obtidos de capacitância e resistência como inerentes a um determinado capacitor e utilizar esses dados para calcular o ângulo de perda em uma frequência diferente. Tal cálculo só pode ser feito se o circuito equivalente tiver uma determinada base física. Assim, por exemplo, se for conhecido para um determinado dielétrico que as perdas nele são determinadas apenas pelas perdas através da condutividade elétrica em uma ampla faixa de frequências, então o ângulo de perda de um capacitor com tal dielétrico pode ser calculado para qualquer frequência deitado nesta faixa
tg =1/Crp (3-12)
onde C e rp são capacitância e resistência constantes medidas em uma determinada frequência.
As perdas em tal capacitor, como é fácil de ver, não dependem da frequência:
Pa=U2/rp (3-13)
pelo contrário, se as perdas no capacitor são determinadas principalmente pela resistência dos fios de alimentação, bem como pela resistência dos próprios eletrodos (por exemplo, uma fina camada de prata), então a potência dissipada em tal capacitor será aumenta proporcionalmente ao quadrado da frequência:
Pa=U2 C tg =U2 C Crs=U2 2C2rs (3-14)
Da última expressão podemos tirar uma conclusão prática muito importante: capacitores projetados para operar em altas frequências devem ter a menor resistência possível tanto dos eletrodos quanto dos fios de conexão e contatos de transição.
As perdas dielétricas, de acordo com suas características e natureza física, podem ser divididas em quatro tipos principais:
1) perdas dielétricas por polarização;
2) perdas dielétricas devido à condutividade elétrica;
perdas dielétricas de ionização;
perdas dielétricas devido à falta de homogeneidade estrutural.
As perdas dielétricas causadas pela polarização são especialmente observadas em substâncias com polarização de relaxamento: em dielétricos de estrutura dipolo e em dielétricos de estrutura iônica com empacotamento solto de íons.
As perdas dielétricas por relaxamento são causadas pela interrupção do movimento térmico das partículas sob a influência das forças do campo elétrico.
As perdas dielétricas observadas em ferroelétricos estão associadas ao fenômeno de polarização espontânea. Portanto, as perdas em ferroelétricos são significativas em temperaturas abaixo do ponto Curie, quando se observa polarização espontânea. Em temperaturas acima do ponto Curie, as perdas nos ferroelétricos diminuem. O envelhecimento elétrico de um ferroelétrico é acompanhado por uma ligeira diminuição nas perdas ao longo do tempo.
As perdas dielétricas causadas pela polarização também incluem as chamadas perdas ressonantes que aparecem nos dielétricos em altas frequências. Este tipo de perda é observada com particular clareza em alguns gases em uma frequência estritamente definida e se expressa na intensa absorção de energia do campo elétrico.
Perdas por ressonância também são possíveis em sólidos se a frequência das oscilações forçadas causadas por um campo elétrico coincidir com a frequência natural das partículas. sólido. A presença de um máximo na dependência da frequência de tg também é característica do mecanismo de perda ressonante, mas em nesse caso a temperatura não afeta a posição do máximo.
As perdas dielétricas causadas pela condutividade elétrica são encontradas em dielétricos que possuem volume perceptível ou condutividade superficial.
A tangente de perda dielétrica neste caso pode ser calculada usando a fórmula
As perdas dielétricas deste tipo não dependem da frequência do campo; tg diminui com a frequência de acordo com uma lei hiperbólica.
As perdas dielétricas devido à condutividade elétrica aumentam com a temperatura de acordo com uma lei exponencial
PaT=Aexp(-b/T) (3-16)
onde A, b são constantes materiais. A fórmula (3-16) pode ser reescrita aproximadamente da seguinte forma:
PaT=Pa0exp(t) (3-17)
onde PaT - perdas na temperatura t, °C; Pa0 - perdas à temperatura de 0°C; - constante material.
A tangente de perda dielétrica varia com a temperatura de acordo com a mesma lei que foi usada para aproximar a dependência de Pa com a temperatura, uma vez que a mudança de temperatura na capacitância pode ser desprezada.
As perdas dielétricas de ionização são características dos dielétricos e do estado gasoso; As perdas de ionização manifestam-se em campos elétricos não uniformes com intensidades que excedem o valor correspondente ao início da ionização de um determinado gás. As perdas de ionização podem ser calculadas usando a fórmula
Pa.u=A1f(U-Ui)3 (3-18)
onde A1 - coeficiente constante; f - frequência de campo; U - tensão aplicada; Ui é a tensão correspondente ao início da ionização.
A fórmula (3-18) é válida para U > Ui e uma dependência linear de tg em E. A tensão de ionização Ui depende da pressão na qual o gás está localizado, uma vez que o desenvolvimento da ionização por impacto das moléculas está relacionado à média livre caminho dos portadores de carga.
Perdas dielétricas devido à falta de homogeneidade estrutural são observadas em dielétricos em camadas, em papel e tecido impregnados, em plásticos preenchidos, em cerâmicas porosas em micanite, micalex, etc.
Devido à diversidade da estrutura dos dielétricos não homogêneos e às características dos componentes que eles contêm, não existe uma fórmula geral para o cálculo de perdas dielétricas deste tipo.
A constante dielétrica a constante dielétrica
o valor ε, mostrando quantas vezes a força de interação entre duas cargas elétricas em um meio é menor do que no vácuo. Em um meio isotrópico, ε está relacionado à suscetibilidade dielétrica χ pela relação: ε = 1 + 4π χ. A constante dielétrica de um meio anisotrópico é um tensor. A constante dielétrica depende da frequência do campo; em campos elétricos fortes, a constante dielétrica começa a depender da intensidade do campo.
A CONSTANTE DIELÉTRICACONTINUIDADE DIELÉTRICA, uma quantidade adimensional e, mostrando quantas vezes a força de interação F entre cargas elétricas em um determinado meio é menor que sua força de interação F o no vácuo:
e =F o /F.
A constante dielétrica mostra quantas vezes o campo é atenuado pelo dielétrico (cm. DIELÉTRICO), caracterizando quantitativamente a propriedade de um dielétrico ser polarizado em um campo elétrico.
O valor da constante dielétrica relativa de uma substância, que caracteriza o grau de sua polarizabilidade, é determinado pelos mecanismos de polarização (cm. POLARIZAÇÃO). No entanto, o valor depende em grande parte estado de agregação substâncias, uma vez que durante as transições de um estado para outro a densidade da substância, sua viscosidade e isotropia mudam significativamente (cm. ISOTROPIA).
Constante dielétrica de gases
As substâncias gasosas são caracterizadas por densidades muito baixas devido às grandes distâncias entre as moléculas. Devido a isso, a polarização de todos os gases é insignificante e sua constante dielétrica é próxima da unidade. A polarização de um gás pode ser puramente eletrônica ou dipolo se as moléculas do gás forem polares, porém, neste caso, a polarização eletrônica é de primordial importância. A polarização de vários gases é tanto maior quanto maior o raio da molécula do gás, e é numericamente próxima do quadrado do índice de refração desse gás.
A dependência de um gás com a temperatura e a pressão é determinada pelo número de moléculas por unidade de volume de gás, que é proporcional à pressão e inversamente proporcional à temperatura absoluta.
O ar em condições normais tem e = 1,0006 e seu coeficiente de temperatura tem um valor de cerca de 2. 10 -6 K -1 .
Constante dielétrica de dielétricos líquidos
Os dielétricos líquidos podem consistir em moléculas apolares ou polares. O valor e dos líquidos apolares é determinado pela polarização eletrônica, portanto é pequeno, próximo ao valor do quadrado da refração da luz e geralmente não ultrapassa 2,5. A dependência de e de um líquido apolar com a temperatura está associada a uma diminuição no número de moléculas por unidade de volume, ou seja, com uma diminuição na densidade, e seu coeficiente de temperatura está próximo do coeficiente de temperatura de expansão volumétrica do líquido, mas difere em sinal.
A polarização de líquidos contendo moléculas dipolo é determinada simultaneamente pelos componentes eletrônicos e de relaxamento dipolo. Tais líquidos têm uma constante dielétrica quanto maior, maior o valor do momento elétrico dos dipolos (cm. DIPOLO) e com o que número maior moléculas por unidade de volume. A dependência da temperatura no caso de líquidos polares é complexa.
Constante dielétrica de dielétricos sólidos
Em sólidos, pode assumir uma variedade de valores numéricos de acordo com a variedade de características estruturais do dielétrico sólido. Em dielétricos sólidos todos os tipos de polarização são possíveis.
O menor valor de e é encontrado em dielétricos sólidos constituídos por moléculas apolares e possuindo apenas polarização eletrônica.
Dielétricos sólidos, que são cristais iônicos com empacotamento denso de partículas, possuem polarizações eletrônicas e iônicas e possuem valores de e que estão dentro de uma ampla faixa (e sal-gema - 6; e corindo - 10; e rutilo - 110; e titanato de cálcio - 150).
e de vários vidros inorgânicos, aproximando-se da estrutura dos dielétricos amorfos, encontra-se em uma faixa relativamente estreita de 4 a 20.
Os dielétricos orgânicos polares têm polarização de relaxamento dipolo no estado sólido. Cada um desses materiais depende em grande parte da temperatura e frequência da tensão aplicada, obedecendo às mesmas leis dos líquidos dipolo.
dicionário enciclopédico. 2009 .
O valor de e, mostrando quantas vezes a força de interação entre duas cargas elétricas em um meio é menor do que no vácuo. Em um meio isotrópico, e está relacionado à suscetibilidade dielétrica com a relação: e = 1 + 4pc. A constante dielétrica… … Grande Dicionário Enciclopédico
O valor e caracterizando a polarização dos dielétricos sob a influência da eletricidade. O campo E.D.p. está incluído na lei de Coulomb como uma quantidade que mostra quantas vezes a força de interação de duas cargas livres em um dielétrico é menor do que no vácuo. Enfraquecimento do... ... Enciclopédia física
CONTINUIDADE DIELÉTRICA, O valor e, mostrando quantas vezes a força de interação de duas cargas elétricas em um meio é menor do que no vácuo. O valor de e varia muito: hidrogênio 1,00026, óleo de transformador 2,24, ... ... Enciclopédia moderna
- (designação e), em física uma das propriedades vários materiais(ver DIELÉTRICO). É expresso pela relação entre a densidade do FLUXO ELÉTRICO no meio e a intensidade do CAMPO ELÉTRICO que o causa. Constante dielétrica do vácuo... ... Dicionário enciclopédico científico e técnico
a constante dielétrica- Uma quantidade que caracteriza as propriedades dielétricas de uma substância, escalar para uma substância isotrópica e tensor para uma substância anisotrópica, cujo produto pela intensidade do campo elétrico é igual ao deslocamento elétrico. [GOST R 52002 2003]… … Guia do Tradutor Técnico
A constante dielétrica- CONTINUIDADE DIELÉTRICA, o valor e, mostrando quantas vezes a força de interação de duas cargas elétricas em um meio é menor que no vácuo. O valor de e varia muito: hidrogênio 1,00026, óleo de transformador 2,24, ... ... Dicionário Enciclopédico Ilustrado
A constante dielétrica- uma quantidade que caracteriza as propriedades dielétricas de uma substância, escalar para uma substância isotrópica e tensor para uma substância anisotrópica, cujo produto pela intensidade do campo elétrico é igual ao deslocamento elétrico... Fonte:... ... Terminologia oficial
a constante dielétrica- constante dielétrica absoluta; indústria constante dielétrica Uma quantidade escalar que caracteriza as propriedades elétricas de um dielétrico igual à razão entre a magnitude do deslocamento elétrico e a magnitude da intensidade do campo elétrico ... Dicionário explicativo terminológico politécnico
Constante dielétrica absoluta Constante dielétrica relativa Constante dielétrica de vácuo ... Wikipedia
a constante dielétrica- dielektrinė skvarba statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektrinio srauto tankio tiriamojoje medžiagoje ir elektrinio lauko stiprio santykis. atitikmenys: inglês. constante dielétrica; permissividade dielétrica; permissividade rus. dielétrico... ... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Qualquer substância ou corpo que nos rodeia possui certas propriedades elétricas. Isso é explicado pela estrutura molecular e atômica: a presença de partículas carregadas que estão mutuamente ligadas ou em estado livre.
Quando nenhum campo elétrico externo atua sobre a substância, essas partículas são distribuídas de forma que se equilibrem e não criem um campo elétrico adicional em todo o volume total. Quando a energia elétrica é aplicada de fora, ocorre a redistribuição de carga no interior das moléculas e átomos, o que leva à criação de seu próprio campo elétrico interno, direcionado contra o externo.
Se o vetor do campo externo aplicado for denotado por “E0”, e o campo interno por “E””, então o campo total “E” será a soma da energia dessas duas grandezas.
Na eletricidade, costuma-se dividir as substâncias em:
condutores;
dielétricos.
Esta classificação existe há muito tempo, embora seja bastante arbitrária porque muitos corpos possuem propriedades diferentes ou combinadas.
Condutores
A mídia que tem cobrança gratuita atua como condutora. Na maioria das vezes, os metais atuam como condutores, pois sua estrutura sempre contém elétrons livres, que são capazes de se movimentar em todo o volume da substância e, ao mesmo tempo, participam de processos térmicos.
Quando um condutor é isolado da ação de campos elétricos externos, um equilíbrio de cargas positivas e negativas é criado nele a partir de redes iônicas e elétrons livres. Este equilíbrio é imediatamente destruído quando aplicado - graças à energia da qual começa a redistribuição das partículas carregadas e cargas desequilibradas de quantidades positivas e negativas aparecem na superfície externa.
Este fenômeno é geralmente chamado indução eletrostática. As cargas que surgem na superfície dos metais são chamadas taxas de indução.
As cargas indutivas formadas no condutor formam seu próprio campo E, compensando o efeito do E0 externo no interior do condutor. Portanto, o valor do campo eletrostático total, total é compensado e igual a 0. Neste caso, os potenciais de todos os pontos tanto dentro quanto fora são iguais.
A saída resultante indica que dentro do condutor, mesmo quando conectado campo externo, não há diferença de potencial nem campos eletrostáticos. Este fato é utilizado na blindagem - aplicação de um método de proteção eletrostática de pessoas e equipamentos elétricos sensíveis a campos induzidos, principalmente instrumentos de medição de alta precisão e equipamentos microprocessados.
Roupas e calçados blindados feitos de tecidos com fios condutores, incluindo chapéus, são utilizados no setor de energia para proteger o pessoal que trabalha em condições de maior tensão criada por equipamentos de alta tensão.
Dielétricos
Este é o nome dado às substâncias que possuem propriedades isolantes. Eles contêm apenas cobranças interconectadas e não cobranças gratuitas. Para eles, todas as partículas positivas e negativas são mantidas juntas dentro de um átomo neutro e são privadas de liberdade de movimento. Eles estão distribuídos dentro do dielétrico e não se movem sob a ação do campo externo aplicado E0.
No entanto, sua energia ainda causa certas mudanças na estrutura da substância - dentro dos átomos e moléculas, a proporção de partículas positivas e negativas muda, e na superfície do excesso da substância aparecem cargas ligadas desequilibradas, formando um campo elétrico interno E. É direcionado contra a tensão aplicada de fora.
Este fenômeno é chamado polarização dielétrica. Caracteriza-se pelo fato de surgir no interior da substância um campo elétrico E, formado pela ação da energia externa E0, mas enfraquecido pela contra-ação da E interna.
Tipos de polarização
É de dois tipos dentro dos dielétricos:
1. orientação;
2. eletrônico.
O primeiro tipo tem o nome adicional de polarização dipolo. É inerente a dielétricos com centros deslocados de cargas negativas e positivas, que formam moléculas a partir de dipolos microscópicos - uma combinação neutra de duas cargas. Isso é típico para água, dióxido de nitrogênio e sulfeto de hidrogênio.
Sem a ação de um campo elétrico externo, os dipolos moleculares de tais substâncias são orientados de forma caótica sob a influência dos processos de temperatura existentes. Neste caso, em qualquer ponto do volume interno e na superfície externa do dielétrico não há carga elétrica.
Este quadro muda sob a influência da energia aplicada externamente, quando os dipolos mudam ligeiramente sua orientação e regiões de cargas ligadas macroscópicas não compensadas aparecem na superfície, formando um campo E" na direção oposta ao E0 aplicado.
Com tanta polarização grande influência os processos são afetados pela temperatura, causando movimento térmico e criando fatores desorientadores.
Polarização eletrônica, mecanismo elástico
Ela se manifesta em dielétricos apolares - materiais de outro tipo com moléculas desprovidas de momento dipolar, que, sob a influência de um campo externo, são deformados de modo que cargas positivas são orientadas na direção do vetor E0, e negativas cargas são orientadas na direção oposta.
Como resultado, cada uma das moléculas atua como um dipolo elétrico, orientado ao longo do eixo do campo aplicado. Desta forma, eles criam o seu próprio campo E" na superfície externa na direção oposta.
Nessas substâncias, a deformação das moléculas e, conseqüentemente, a polarização pela influência de um campo externo não depende de seu movimento sob a influência da temperatura. Um exemplo de dielétrico não polar é o metano CH4.
O valor numérico do campo interno de ambos os tipos de dielétricos muda inicialmente em proporção direta ao aumento do campo externo, e então, quando a saturação é atingida, aparecem efeitos não lineares. Eles ocorrem quando todos os dipolos moleculares estão alinhados ao longo das linhas de campo dos dielétricos polares ou quando ocorrem mudanças na estrutura de uma substância apolar devido à forte deformação de átomos e moléculas devido à grande energia aplicada externamente.
Na prática, esses casos raramente ocorrem - geralmente ocorre primeiro uma avaria ou falha de isolamento.
A constante dielétrica
Entre os materiais isolantes, um papel importante é desempenhado pelas características elétricas e indicadores como a constante dielétrica. Pode ser avaliado por duas características diferentes:
1. valor absoluto;
2. tamanho relativo.
O termo constante dielétrica absoluta substâncias εa são usadas quando se referem à notação matemática da lei de Coulomb. Ele, na forma do coeficiente εа, conecta o vetor de indução D e a tensão E.
Lembremos que o físico francês Charles de Coulomb, utilizando as suas próprias balanças de torção, estudou os padrões de forças eléctricas e magnéticas entre pequenos corpos carregados.
A determinação da constante dielétrica relativa de um meio é usada para caracterizar as propriedades isolantes de uma substância. Ele estima a razão da força de interação entre duas cargas pontuais em dois condições diferentes: no vácuo e no ambiente de trabalho. Neste caso, os indicadores de vácuo são tomados como 1 (εv=1), e para substâncias reais são sempre maiores, εr>1.
A expressão numérica εr é apresentada como uma quantidade adimensional, é explicada pelo efeito de polarização dos dielétricos e é utilizada para avaliar suas características.
Valores da constante dielétrica de meios individuais(à temperatura ambiente)
| Substância | ε | Substância | ε |
| Sal de Rochelle | 6000 | Diamante | 5,7 |
| Rutilo (ao longo do eixo óptico) | 170 | Água | 81 |
| Polietileno | 2,3 | Etanol | 26,8 |
| Silício | 12,0 | Mica | 6 |
| Vidro | 5-16 | Dióxido de carbono | 1,00099 |
| NaCl | 5,26 | vapor de água | 1,0126 |
| Benzeno | 2,322 | Ar (760 mmHg) | 1,00057 |
CONTINUIDADE DIELÉTRICA, uma quantidade ε que caracteriza a polarização de dielétricos sob a influência de um campo elétrico de intensidade E. A constante dielétrica está incluída na lei de Coulomb como uma quantidade que mostra quantas vezes a força de interação entre duas cargas livres em um dielétrico é menor que no vácuo. O enfraquecimento da interação ocorre devido à blindagem das cargas livres pelas ligadas formadas a partir da polarização do meio. Cargas ligadas surgem como resultado da redistribuição espacial microscópica de cargas (elétrons, íons) em um ambiente geralmente eletricamente neutro.
A relação entre os vetores de polarização P, intensidade do campo elétrico E e indução elétrica D em um meio isotrópico no sistema SI tem a forma:
onde ε 0 é a constante elétrica. O valor da constante dielétrica ε depende da estrutura e composição química substâncias, bem como pressão, temperatura e outros condições externas(mesa).
Para gases seu valor é próximo de 1, para líquidos e sólidos varia de várias unidades a várias dezenas; para ferroelétricos pode chegar a 10 4 . Essa dispersão dos valores de ε se deve a diferentes mecanismos de polarização que ocorrem em diferentes dielétricos.
A teoria microscópica clássica leva a uma expressão aproximada para a constante dielétrica de dielétricos não polares:
onde n i é a concentração do i-ésimo tipo de átomos, íons ou moléculas, α i é sua polarizabilidade, β i é o chamado fator de campo interno, devido às características estruturais do cristal ou substância. Para a maioria dos dielétricos com constante dielétrica na faixa de 2-8, β = 1/3. Normalmente, a constante dielétrica é praticamente independente da magnitude do campo elétrico aplicado até a ruptura elétrica do dielétrico. Os elevados valores de ε de alguns óxidos metálicos e outros compostos se devem às peculiaridades de sua estrutura, que permite, sob a influência do campo E, um deslocamento coletivo do positivo e íons negativos em direções opostas e a formação de cargas ligadas significativas na fronteira do cristal.
O processo de polarização de um dielétrico quando um campo elétrico é aplicado não se desenvolve instantaneamente, mas ao longo de um período de tempo τ (tempo de relaxamento). Se o campo E muda no tempo t de acordo com uma lei harmônica com frequência ω, então a polarização do dielétrico não tem tempo para segui-lo e uma diferença de fase δ aparece entre as oscilações P e E. Ao descrever oscilações de P e E usando o método de amplitudes complexas, a constante dielétrica é representada como uma quantidade complexa:
ε = ε’ + iε",
além disso, ε' e ε" dependem de ω e τ, e a razão ε"/ε' = tan δ determina as perdas dielétricas no meio. A mudança de fase δ depende da razão τ e do período de campo T = 2π/ω. Em 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 (altas frequências), a polarização não acompanha a mudança Ε, δ → π e ε’ neste caso denotam ε (∞) (o mecanismo de polarização está “desligado”). É óbvio que ε (0) > ε (∞), e em campos alternados a constante dielétrica acaba sendo uma função de ω. Perto de ω = l/τ, ε’ muda de ε (0) para ε (∞) (região de dispersão), e a dependência tanδ(ω) passa por um máximo.
A natureza das dependências ε’(ω) e tanδ(ω) na região de dispersão é determinada pelo mecanismo de polarização. No caso de polarizações iônicas e eletrônicas com deslocamento elástico de cargas ligadas, a mudança em P(t) com inclusão gradual do campo E tem o caráter de oscilações amortecidas e as dependências ε'(ω) e tanδ(ω) são chamadas ressonante. No caso da polarização orientacional, o estabelecimento de P(t) é exponencial, e as dependências ε’(ω) e tanδ(ω) são chamadas de relaxação.
Os métodos de medição da polarização dielétrica são baseados nos fenômenos de interação do campo eletromagnético com os momentos de dipolo elétrico das partículas de matéria e são diferentes para diferentes frequências. A maioria dos métodos em ω ≤ 10 8 Hz baseia-se no processo de carga e descarga de um capacitor de medição preenchido com o dielétrico em estudo. Em frequências mais altas, são usados métodos de guia de onda, ressonante, multifrequência e outros.
Em alguns dielétricos, por exemplo ferroelétricos, a relação proporcional entre P e E [P = ε 0 (ε ‒ 1)E] e, conseqüentemente, entre D e E já é violada em campos elétricos comuns alcançados na prática. Formalmente, isso é descrito como a dependência ε(Ε) ≠ const. Neste caso, uma importante característica elétrica do dielétrico é a constante dielétrica diferencial:
Em dielétricos não lineares, o valor de ε diff é geralmente medido em campos alternados fracos com a aplicação simultânea de um forte campo constante, e o componente variável ε diff é chamado de constante dielétrica reversível.
Aceso. veja a arte. Dielétricos.
