Care este constanta dielectrică a unei substanțe. Constanta dielectrica relativa

Dielectricé permeabilitaté capacitate mediu - o mărime fizică care caracterizează proprietățile unui mediu izolator (dielectric) și care arată dependența inducției electrice de puterea câmpului electric.

Este determinată de efectul de polarizare a dielectricilor sub acțiunea unui câmp electric (și cu valoarea susceptibilității dielectrice a mediului care caracterizează acest efect).

Distinge între permisivitatea relativă și absolută.

Permitivitatea relativă ε este adimensională și arată de câte ori forța de interacțiune a două sarcini electrice într-un mediu este mai mică decât în ​​vid. Această valoare pentru aer și majoritatea celorlalte gaze în condiții normale este aproape de unitate (datorită densității lor scăzute). Pentru majoritatea dielectricilor solizi sau lichidi, permisivitatea relativă variază de la 2 la 8 (pentru un câmp static). Constanta dielectrică a apei într-un câmp static este destul de mare - aproximativ 80. Valorile sale sunt excelente pentru substanțele cu molecule care au un moment dipol electric mare. Constanta dielectrică relativă a feroelectricilor este de zeci și sute de mii.

Constanta dielectrică absolută în literatura străină se notează cu litera ε, în cea domestică se folosește predominant combinația, unde este constanta electrică. Constanta dielectrică absolută este utilizată numai în Sistemul Internațional de Unități (SI), în care inducția și intensitatea câmpului electric sunt măsurate în unități diferite. În sistemul CGS, nu este necesară introducerea unei constante dielectrice absolute. Constanta dielectrică absolută (ca și constanta electrică) are dimensiunea L −3 M −1 T 4 I². În unități ale Sistemului Internațional de Unități (SI): = F / m.

Trebuie remarcat faptul că constanta dielectrică depinde în mare măsură de frecvența câmpului electromagnetic. Acest lucru ar trebui să fie întotdeauna luat în considerare, deoarece tabelele de referință conțin de obicei date pentru un câmp static sau frecvențe joase de până la câteva unități kHz fără a indica acest fapt. În același timp, există metode optice de obținere a permitivității relative din indicele de refracție folosind elipsometre și refractometre. Valoarea obținută prin metoda optică (frecvență 10 14 Hz) va diferi semnificativ de datele din tabele.

Luați în considerare, de exemplu, cazul apei. În cazul unui câmp static (frecvența este zero), permisivitatea relativă în condiții normale este de aproximativ 80. Este cazul până la frecvențele infraroșii. De la aproximativ 2 GHz ε rîncepe să cadă. În domeniul optic ε r este de aproximativ 1,8. Acest lucru este destul de consistent cu faptul că în domeniul optic, indicele de refracție al apei este de 1,33. Într-o gamă de frecvență îngustă, numită optică, absorbția dielectrică scade la zero, ceea ce oferă de fapt unei persoane mecanismul vederii. sursa nespecificata 1252 zile] în atmosfera terestră saturată cu vapori de apă. Odată cu o creștere suplimentară a frecvenței, proprietățile mediului se schimbă din nou. Comportamentul permitivității relative a apei în intervalul de frecvență de la 0 la 10 12 (infraroșu) poate fi citit în (ing.)

Constanta dielectrică a dielectricilor este unul dintre principalii parametri în proiectarea condensatoarelor electrice. Utilizarea materialelor cu o constantă dielectrică ridicată poate reduce semnificativ dimensiunile fizice ale condensatoarelor.

Capacitatea condensatoarelor este determinată de:

Unde ε r- constanta dielectrică a substanței dintre plăci, ε O- constanta electrica, S- zona plăcilor condensatoarelor, d este distanța dintre plăci.

Parametru constantă dielectrică luate în considerare la proiectarea plăcilor cu circuite imprimate. Valoarea constantei dielectrice a substanței dintre straturi, în combinație cu grosimea acesteia, afectează valoarea capacității statice naturale a straturilor de alimentare și, de asemenea, afectează semnificativ impedanța caracteristică a conductorilor de pe placă.

REZISTENTA SPECIFICA marime electrica, fizica egala cu rezistenta electrica ( cm. REZISTENȚĂ ELECTRICĂ) R al unui conductor cilindric de lungime unitară (l = 1m) și secțiune transversală unitară (S = 1 m 2) .. r = R S / l. În Xi, unitatea de rezistivitate este Ohm. m. Rezistivitatea poate fi exprimată și în ohmi. vezi Rezistivitatea este o caracteristică a materialului prin care curge curentul și depinde de materialul din care este realizat. Rezistența specifică egală cu r = 1 Ohm. m înseamnă că un conductor cilindric din acest material cu lungimea de l = 1 m și cu aria secțiunii transversale S = 1 m 2 are o rezistență R = 1 Ohm. m. Valoarea rezistivității metalelor ( cm. METALELE), care sunt buni conductori ( cm. DIRECTORII), poate avea valori de ordinul 10 - 8 - 10 - 6 Ohm. m (de exemplu, cupru, argint, fier etc.). Rezistivitatea unor dielectrici solizi ( cm. DIELECTRICĂ) poate atinge o valoare de 10 16 -10 18 Ohm.m (de exemplu, sticlă de cuarț, polietilenă, electroporțelan etc.). Rezistivitatea multor materiale (în special materiale semiconductoare ( cm. MATERIALE SEMICONDUCTORE)) depinde semnificativ de gradul de purificare a acestora, de prezența aditivilor de aliere, de tratamente termice și mecanice etc. cm. SIEMENS (unitate de conductivitate)) pe metru S/m. Rezistivitatea electrică (conductibilitatea) este o mărime scalară pentru o substanță izotropă; și tensor - pentru materia anizotropă. În monocristalele anizotrope, anizotropia conductivității electrice este o consecință a anizotropiei masei efective inverse ( cm. MASĂ EFECTIVĂ) electroni și găuri.

1-6. CONDUCTIVITATEA ELECTRICĂ A IZOLAȚIEI

Când izolația unui cablu sau a unui fir este pornită la o tensiune constantă U, trece un curent i, modificându-se în timp (Fig. 1-3). Acest curent are componente constante - curentul de conducție (i ∞) și curentul de absorbție, unde γ este conductivitatea corespunzătoare curentului de absorbție; T este timpul în care curentul i abs scade la 1/e din valoarea sa inițială. Pentru un timp infinit de lung, i abs → 0 și i = i ∞. Conductivitatea electrică a dielectricilor se explică prin prezența în ele a unei anumite cantități de particule libere încărcate: ioni și electroni.

Cea mai caracteristică pentru majoritatea materialelor electroizolante este conductivitatea ionică, care este posibilă datorită prezentului inevitabil în izolarea impurităților (impurități de umiditate, săruri, alcalii etc.). Într-un dielectric cu caracter ionic de conductivitate electrică, se respectă cu strictețe legea lui Faraday - proporționalitatea dintre cantitatea de electricitate trecută prin izolație și cantitatea de substanță eliberată în timpul electrolizei.

Pe măsură ce temperatura crește, rezistivitatea materialelor electroizolante scade și se caracterizează prin formulă

unde_ρ o, A și B sunt constante pentru un material dat; T- temperatura, ° K.

O mare dependență a rezistenței de izolație de umiditate apare în materialele izolante higroscopice, în principal fibroase (hârtie, fire de bumbac etc.). Prin urmare, materialele fibroase sunt uscate și impregnate, precum și protejate de carcase rezistente la umiditate.

Rezistența de izolație poate scădea odată cu creșterea tensiunii din cauza formării de sarcini spațiale în materialele izolatoare. Conductivitatea electronică suplimentară creată în acest caz duce la o creștere a conductibilității electrice. Există o dependență a conductivității de tensiune în câmpuri foarte puternice (legea lui Ya.I. Frenkel):

unde γ despre - conductivitate în câmpuri slabe; a - constantă. Toate materialele electroizolante sunt caracterizate de anumite valori ale conductivității izolației G. În mod ideal, conductivitatea materialelor izolatoare este zero. În materialele izolatoare reale, conductivitatea pe unitatea de lungime a cablului este determinată de formulă

În cablurile cu rezistență de izolație mai mare de 3-10 11 ohm-m și cablurile de comunicație, unde pierderile de polarizare dielectrică sunt mult mai mari decât pierderile de căldură, conductivitatea este determinată de formula

Conductivitatea izolației în ingineria comunicațiilor este un parametru electric al unei linii care caracterizează pierderile de energie în izolarea miezurilor de cablu. Dependența de frecvență a conductibilității este prezentată în Fig. 1-1. Inversul conductivității, rezistența de izolație, este raportul dintre tensiunea continuă aplicată izolației (în volți) și curentul de scurgere (în amperi), adică.

unde R V este rezistența volumetrică a izolației, care determină numeric obstacolul creat de trecerea curentului prin grosimea izolației; R S - rezistența de suprafață, care determină obstacol în calea trecerii curentului de-a lungul suprafeței izolației.

O evaluare practică a calității materialelor izolante utilizate este rezistivitatea specifică de volum ρ V exprimată în ohm-centimetri (ohm * cm). Numeric, ρ V este egal cu rezistența (în ohmi) a unui cub cu muchia de 1 cm față de un material dat, dacă curentul trece prin două fețe opuse ale cubului. Rezistența de suprafață specifică ρ S este numeric egală cu rezistența de suprafață a pătratului (în ohmi) dacă se aplică curent electrozilor care delimitează două laturi opuse ale acestui pătrat.

Rezistența de izolație a unui cablu sau a unui fir cu un singur conductor este determinată de formulă

Proprietățile de umiditate ale dielectricilor

Rezistenta la umiditate - este fiabilitatea funcționării izolației atunci când se află într-o atmosferă de vapori de apă aproape de saturație. Rezistența la umiditate este evaluată prin modificarea proprietăților electrice, mecanice și alte proprietăți fizice după găsirea materialului într-o atmosferă cu umiditate ridicată și ridicată; prin umiditate și permeabilitate la apă; prin absorbția de umiditate și apă.

Permeabilitatea la umiditate - capacitatea materialului de a trece vaporii de umiditate în prezența unei diferențe de umiditate relativă a aerului pe ambele părți ale materialului.

Absorbția umidității - capacitatea materialului de a absorbi apă în timpul șederii prelungite într-o atmosferă umedă aproape de starea de saturație.

Absorbtia apei - capacitatea unui material de a absorbi apă în timpul scufundării prelungite în apă.

Rezistență la tropice și tropicalizare echipamente – protecția echipamentelor electrice de umezeală, mucegai, rozătoare.

Proprietățile termice ale dielectricilor

Următoarele mărimi sunt utilizate pentru a caracteriza proprietățile termice ale dielectricilor.

Rezistență la căldură- capacitatea materialelor și produselor electroizolante de a rezista la temperaturi ridicate și la schimbări bruște de temperatură fără a le afecta. Determinată de temperatura la care se observă o modificare semnificativă a proprietăților mecanice și electrice, de exemplu, deformarea la tracțiune sau încovoiere sub sarcină începe în dielectricii organici.

Conductivitate termică- procesul de transfer de căldură în material. Se caracterizează printr-un coeficient de conductivitate termică determinat experimental λ t. Λ t este cantitatea de căldură transferată într-o secundă printr-un strat de material de 1 m grosime și o suprafață de 1 m 2 la o diferență de temperatură a stratului suprafețe de 1 ° K. Coeficientul de conductivitate termică al dielectricilor variază în limite largi. Gazele, dielectricii porosi și lichidele au cele mai mici valori λ t (pentru aer λ t = 0,025 W / (m K), pentru apă λ t = 0,58 W / (m K)), dielectricii cristalini au valori ridicate ( pentru cuarțul cristalin λ t = 12,5 W / (m K)). Coeficientul de conductivitate termică al dielectricilor depinde de structura lor (pentru cuarțul topit λ t = 1,25 W / (m · K)) și de temperatură.

Dilatare termică dielectricii sunt estimați prin coeficientul de temperatură al expansiunii liniare: ... Materialele cu dilatare termică scăzută, de regulă, au o rezistență la căldură mai mare și invers. Expansiunea termică a dielectricilor organici depășește semnificativ (de zeci și sute de ori) expansiunea dielectricilor anorganici. Prin urmare, stabilitatea dimensională a pieselor din dielectrici anorganici cu fluctuații de temperatură este mult mai mare în comparație cu cele organice.

1. Curenți de absorbție

Curenții de deplasare ai diferitelor tipuri de polarizare întârziată se numesc curenți de absorbție. Curenții de absorbție la tensiune constantă curg în dielectric până la stabilirea unei stări de echilibru, schimbându-și direcția atunci când tensiunea este pornită și oprită. Cu o tensiune alternativă, curenții de absorbție circulă pe toată perioada în care dielectricul se află în câmpul electric.

V caz general electricitate j în dielectric este suma curentului de trecere j sc și curent de absorbție j ab

j = j ck + j ab.

Curentul de absorbție poate fi determinat prin curentul de polarizare j cm - viteza de schimbare a vectorului de inducție electrică D

Curentul de trecere este determinat de transferul (mișcarea) în câmpul electric al diferiților purtători de sarcină.

2. Electronic conductivitatea electrică se caracterizează prin mișcarea electronilor sub acțiunea unui câmp. În plus față de metale, este prezent în carbon, oxizi de metal, sulfuri și alte substanțe, precum și în mulți semiconductori.

3. ionic - datorită mișcării ionilor. Se observă în soluții și topituri de electroliți - săruri, acizi, alcalii, precum și în mulți dielectrici. Este subdivizată în conductivitatea intrinsecă și a impurităților. Conductivitatea intrinsecă se datorează mișcării ionilor obținuți în timpul disocierii molecule. Mișcarea ionilor într-un câmp electric este însoțită de electroliză - transferul unei substante intre electrozi si eliberarea acesteia pe electrozi. Lichidele polare sunt mai disociate și au o conductivitate electrică mai mare decât cele nepolare.

În dielectricii lichidi nepolari și slab polari (uleiuri minerale, lichide organosilicioase), conductivitatea electrică este determinată de impurități.

4. Conductivitate moleculara - cauzate de mișcarea particulelor încărcate numite moloane... Observați-l în sisteme coloidale, emulsii , suspensii ... Mișcarea molionilor sub acțiunea unui câmp electric se numește electroforeză... În timpul electroforezei, spre deosebire de electroliză, nu se formează substanțe noi; concentrația relativă a fazei dispersate în diferite straturi ale lichidului se modifică. Conductivitatea electroforetică se observă, de exemplu, în uleiurile care conțin apă emulsionată.

Constanta dielectrică

Fenomenul de polarizare se apreciază după valoarea constantei dielectrice ε. Parametrul ε, care caracterizează capacitatea unui material de a forma o capacitate, se numește permitivitate relativă.

Cuvântul „rudă” este de obicei omis. Trebuie avut în vedere faptul că capacitatea electrică a secțiunii de izolație cu electrozi, i.e. condensatorul depinde de dimensiunile geometrice, configurația electrozilor și de structura materialului care formează dielectricul acestui condensator.

În vid ε = 1, iar orice dielectric este întotdeauna mai mare decât 1. Dacă C0 - em-

os, între plăcile cărora există un vid, de formă și dimensiune arbitrară, iar C este capacitatea unui condensator de aceeași dimensiune și formă, dar umplut cu un dielectric cu o constantă dielectrică ε, atunci

Notând prin C0 constanta electrică (F/m) egală cu

C0 = 8,854,10-12,

găsiți constanta dielectrică absolută

ε’ = ε0 .ε.

Să determinăm valorile capacității pentru unele forme de dielectrici.

Pentru condensator plat

С = ε0 ε S / h = 8,854 1О-12 ε S / h.

unde S este aria secțiunii transversale a electrodului, m2;

h este distanța dintre electrozi, m.

Valoare practică constanta dielectrică este foarte mare. Determină nu numai capacitatea unui material de a forma o capacitate, dar intră și într-o serie de ecuații de bază care caracterizează procesele fizice care au loc într-un dielectric.

Constanta dielectrica a gazelor, datorita densitatii lor scazute (datorita distantelor mari dintre molecule), este nesemnificativa si apropiata de unitate. De obicei, polarizarea gazului este electronică sau dipol dacă moleculele sunt polare. ε al unui gaz este cu atât mai mare, cu atât raza moleculei este mai mare. O modificare a numărului de molecule de gaz pe unitate de volum de gaz (n) cu o schimbare a temperaturii și presiunii determină o modificare a constantei dielectrice a gazului. Numărul de molecule N este proporțional cu presiunea și invers proporțional cu temperatura absolută.

Odată cu modificarea umidității, constanta dielectrică a aerului se modifică ușor direct proporțional cu modificarea umidității (la temperatura camerei). La temperatură ridicată influența umidității este mult sporită. Dependența de temperatură a constantei dielectrice este caracterizată prin expresie

T K ε = 1 / ε (dε / dT).

Folosind această expresie, puteți calcula modificarea relativă a constantei dielectrice atunci când temperatura se modifică cu 1 0 K - așa-numitul coeficient de temperatură TK al constantei dielectrice.

Valoarea TC a unui gaz nepolar este găsită prin formula

T K ε = (ε -1) / dT.

unde T este temperatura. LA.

Constanta dielectrică a lichidelor este foarte dependentă de structura lor. Valorile ε ale lichidelor nepolare sunt mici și apropiate de pătratul indicelui de refracție al luminii n 2. Constanta dielectrică a lichidelor polare, care sunt utilizate ca dielectrice tehnice, variază de la 3,5 la 5, care este vizibil mai mare. decât cea a lichidelor nepolare.

Astfel, polarizarea lichidelor care conțin molecule dipol este determinată simultan de polarizările de relaxare a electronilor și dipolului.

Lichidele puternic polare se caracterizează printr-o valoare ε ridicată datorită conductivității lor ridicate. Dependența de temperatură a lui ε în lichidele dipol este mai complexă decât lichidele neutre.

Prin urmare, ε la o frecvență de 50 Hz pentru bifenil clorurat (Savol) crește rapid din cauza unei scăderi accentuate a vâscozității lichidului și a dipolului.

moleculele au timp să se orienteze în urma schimbării de temperatură.

Scăderea lui ε se produce datorită intensificării mișcării termice a moleculelor, ceea ce împiedică orientarea lor în direcția câmpului electric.

Dielectricii sunt împărțiți în patru grupe în funcție de tipul de polarizare:

Primul grup - o singură compoziție, omogenă, pură, fără aditivi, dielectrici, în care polarizarea în principal electronică sau ambalarea strânsă a ionilor. Acestea includ dielectrici solizi nepolari și slab polari în stare cristalină sau amorfă, precum și lichide și gaze nepolare și slab polare.

A doua grupă - dielectrice tehnice cu polarizări electronice, ionice și concomitent cu polarizări de relaxare dipol. Acestea includ semi-lichide organice polare (dipol) și solide, cum ar fi compuși de colofoniu uleios, celuloză, rășini epoxidice și compozite compuse din aceste substanțe.

A treia grupă - dielectrice tehnice cu polarizare ionică și electronică; dielectricii cu polarizări electronice de relaxare ionică sunt împărțiți în două subgrupe. Primul subgrup include în principal substanțe cristaline cu împachetare strânsă de ioni ε< 3,0.

Al doilea subgrup include sticle anorganice și materiale care conțin o fază sticloasă, precum și substanțe cristaline cu împachetare ionică liberă.

Al patrulea grup este alcătuit din feroelectrici cu polarizări spontane, electronice, ionice, de relaxare electron-ionică, precum și polarizări de migrare sau de înaltă tensiune pentru materiale compozite, complexe și stratificate.

4. Pierderi dielectrice ale materialelor electroizolante. Tipuri de pierderi dielectrice.

Pierderea dielectrică este puterea disipată într-un dielectric atunci când i se aplică un câmp electric și provoacă încălzirea dielectricului.

Pierderile în dielectrice se observă atât la tensiune alternativă, cât și la tensiune constantă, deoarece în material se găsește un curent de trecere datorat conducției. La tensiune constantă, când nu există polarizare periodică, calitatea materialului este caracterizată, după cum s-a indicat mai sus, prin valorile volumului specific și rezistenței de suprafață. Cu tensiune alternativă, este necesar să se utilizeze o altă caracteristică a calității materialului, deoarece în acest caz, pe lângă curentul de trecere, apar cauze suplimentare care provoacă pierderi în dielectric.

Pierderile dielectrice dintr-un material electroizolant pot fi caracterizate prin puterea disipată pe unitate de volum, sau pierderi specifice; mai des, pentru a evalua capacitatea unui dielectric de a disipa puterea într-un câmp electric, ei folosesc unghiul de pierdere a dielectricului, precum și tangenta acestui unghi.

Orez. 3-1. Sarcina față de tensiune pentru un dielectric liniar fără pierderi (a), cu pierderi (b)

Unghiul de pierdere dielectrică este unghiul care completează unghiul de defazare dintre curent și tensiune într-un circuit capacitiv la 90 °. Pentru un dielectric ideal, vectorul de curent dintr-un astfel de circuit va avansa vectorul de tensiune cu 90 °, în timp ce unghiul de pierdere a dielectricului va fi este zero... Cu cât este mai multă putere disipată în dielectric, care se transformă în căldură, cu atât unghiul de defazare este mai mic și unghiul și funcția sa tg sunt mai mari.

Din teoria curenților alternativi se știe că puterea activă

Pa = UI cos (3-1)

Să exprimăm puterile pentru circuitele în serie și paralele în termeni de capacități Cs și Cp și unghiul, care este complementul unghiului de până la 90 °.

Pentru un circuit secvenţial, folosind expresia (3-1) şi diagrama vectorială corespunzătoare, avem

P a = (3-2)

tg = C s r s (3-3)

Pentru circuit paralel

P a = UI a = U 2 C p tg (3-4)

tg = (3-5)

Echivalând expresiile (3-2) și (3-4), precum și (3-3) și (3-5), găsim relația dintre Сp și Cs și între rp și rs

C p = C s / 1 + tg 2 (3-6)

r p = r s (1+ 1 / tg 2 ) (3-7)

Pentru dielectricii de înaltă calitate, valoarea lui tan2 poate fi neglijată în comparație cu unitatea din formula (3-8) și se poate lua în considerare Cp Cs C. Expresiile pentru puterea disipată în dielectric, în acest caz, vor fi aceleași pentru ambele circuite:

P a U 2 C tg (3-8)

unde Ra este puterea activă, W; U - tensiune, V; - frecventa unghiulara, s-1; C - capacitate, F.

Rezistența rр într-un circuit paralel, după cum reiese din expresia (3-7), este de multe ori mai mare decât rezistența rs. Expresia pierderilor dielectrice specifice, adică puterea disipată pe unitatea de volum a dielectricului, are forma:

(3-9)

unde p - pierderi specifice, W/m3; = 2 - frecvența unghiulară, s-1, E - intensitatea câmpului electric, V / m.

Într-adevăr, capacitatea dintre laturile opuse ale unui cub cu latura de 1 m va fi

C1 = 0 r, conductivitate reactivă

(3-10)

o componentă activă

După ce au determinat printr-o anumită metodă, la o anumită frecvență, parametrii circuitului echivalent al dielectricului investigat (Cp și rp sau Cs și rs), în cazul general, valorile obținute ale capacității și rezistenței nu pot fi considerate inerente acestui condensator. și utilizați aceste date pentru a calcula unghiul de pierdere la o frecvență diferită. Un astfel de calcul se poate face numai dacă circuitul echivalent are o anumită justificare fizică. Deci, de exemplu, dacă se știe pentru un anumit dielectric că pierderile în el sunt determinate numai de pierderile prin conductibilitatea electrică într-un interval larg de frecvență, atunci unghiul de pierdere al unui condensator cu un astfel de dielectric poate fi calculat pentru orice frecvență situată. în acest interval

tg = 1 / Crp (3-12)

unde C și rp sunt capacități și rezistențe constante măsurate la frecvența dată.

Pierderile într-un astfel de condensator, după cum este ușor de văzut, nu depind de frecvență:

Pa = U2 / rp (3-13)

dimpotrivă, dacă pierderile din condensator se datorează în principal rezistenței firelor de plumb, precum și rezistenței electrozilor înșiși (de exemplu, un strat subțire de argint), atunci puterea disipată într-un astfel de condensator va crește proporțional cu pătratul frecvenței:

Pa = U2 C tg = U2 C Crs = U2 2C2rs (3-14)

Din ultima expresie se poate trage o concluzie practică foarte importantă: condensatoarele proiectate să funcționeze la frecvență înaltă trebuie să aibă rezistența cât mai mică atât a electrozilor, cât și a firelor de legătură și a contactelor de tranziție.

Pierderile dielectrice, în funcție de caracteristicile și natura lor fizică, pot fi împărțite în patru tipuri principale:

1) pierderi dielectrice datorate polarizării;

2) pierderi dielectrice datorate conductivității electrice;

pierderi dielectrice de ionizare;

pierderi dielectrice datorate neomogenității structurii.

Pierderile dielectrice datorate polarizării se observă în mod deosebit în mod clar în substanțele cu polarizare de relaxare: în dielectricii unei structuri dipol și în dielectricii unei structuri ionice cu o împachetare liberă de ioni.

Pierderile dielectrice de relaxare sunt cauzate de încălcarea mișcării termice a particulelor sub influența forțelor câmpului electric.

Pierderile dielectrice observate la feroelectrice sunt asociate cu fenomenul de polarizare spontană. Prin urmare, pierderile în feroelectrice sunt semnificative la temperaturi sub punctul Curie, când se observă polarizare spontană. La temperaturi peste punctul Curie, pierderile de feroelectrice scad. Îmbătrânirea electrică a unui feroelectric în timp este însoțită de o ușoară scădere a pierderilor.

Pierderile dielectrice datorate polarizării includ și așa-numitele pierderi de rezonanță, care se manifestă în dielectrici la frecvențe înalte. Acest tip de pierdere se observă cu o claritate deosebită la unele gaze la o frecvență strict definită și se exprimă în absorbția intensă a energiei câmpului electric.

Pierderile de rezonanță sunt posibile și la solide dacă frecvența vibrațiilor forțate cauzate de câmpul electric coincide cu frecvența vibrațiilor naturale ale particulelor solidului. Prezența unui maxim în dependența de frecvență a tanului este, de asemenea, caracteristică mecanismului de pierdere de rezonanță, dar în acest caz temperatura nu afectează poziția maximului.

Pierderile dielectrice datorate conductivității electrice se găsesc în dielectricii cu conductivitate în vrac sau de suprafață vizibilă.

Tangenta unghiului de pierdere dielectrică în acest caz poate fi calculată prin formula

Pierderile dielectrice de acest tip nu depind de frecvența câmpului; tg scade cu frecventa conform legii hiperbolice.

Pierderile dielectrice datorate conductivității electrice cresc exponențial cu temperatura

PaT = Aexp (-b / T) (3-16)

unde A, b sunt constante materiale. Formula (3-16) poate fi rescrisă aproximativ după cum urmează:

PaT = Pa0exp (t) (3-17)

unde PaT - pierderi la temperatura t, ° С; Pa0 - pierderi la o temperatură de 0 ° C; - material constant.

Tangenta pierderilor dielectrice în funcție de schimbările de temperatură se modifică conform aceleiași legi care a fost folosită pentru a aproxima dependența de temperatură a lui Pa, deoarece modificarea de temperatură a capacității poate fi neglijată.

Pierderile dielectrice prin ionizare sunt inerente dielectricilor și stării gazoase; Pierderile de ionizare se manifestă în câmpuri electrice neomogene la intensități care depășesc valoarea corespunzătoare declanșării ionizării unui gaz dat. Pierderile de ionizare pot fi calculate prin formula

Pa. U = A1f (U-Ui) 3 (3-18)

unde A1 - coeficient constant; f este frecvența câmpului; U este tensiunea aplicată; Ui este tensiunea corespunzătoare debutului ionizării.

Formula (3-18) este valabilă la U> Ui și o dependență liniară a lui tan față de E. Tensiunea de ionizare Ui depinde de presiunea la care se află gazul, deoarece dezvoltarea ionizării prin impact a moleculelor este asociată cu media liberă. calea purtătorilor de sarcină.

Pierderile dielectrice datorate neomogenității structurale se observă la dielectricii stratificati, din hârtie și pânză impregnate, în materialele plastice cu umplutură, în ceramica poroasă din micaniți, micalex etc.

Datorită diversității structurii dielectricilor neomogene și a caracteristicilor componentelor pe care le conțin, nu există o formulă generală pentru calcularea pierderilor dielectrice de acest tip.

CONSTANTA DIELECTRICA (constantă dielectrică) - cantitate fizica care caracterizează capacitatea unei substanțe de a reduce forțele de interacțiune electrică în această substanță în comparație cu vidul. Astfel, presiunea diferențială arată de câte ori forțele de interacțiune electrică dintr-o substanță sunt mai mici decât în ​​vid.

D. p.- o caracteristică care depinde de structura substanţei-dielectric. Electronii, ionii, atomii, moleculele sau părțile lor individuale și suprafețele 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 are loc dispersia dispersiei, adică dependența mărimii acesteia de frecvență (vezi Dispersia). Diapasonul unei substanțe depinde atât de proprietățile electrice ale atomilor și moleculelor, cât și de aranjarea lor reciprocă, adică de structura substanței. Prin urmare, definiția diapasonului sau schimbarea acestuia în funcție de condițiile înconjurătoare este utilizată în studiul structurii unei substanțe și, în special, a diferitelor țesuturi ale corpului (vezi. Conductivitatea electrică a sistemelor biologice).

Diverse substanțe (dielectrice), în funcție de structura și starea lor de agregare, au valori diferite pentru D. p. (Tabel).

Masa. Valoarea constantei dielectrice a unor substanţe

De o importanță deosebită pentru biol medical, cercetează 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 dipolului sau a polarizării orientative. Valoarea mare a D. p. Apa (80 la t ° 20 °) determină grad înalt disocierea în ea a diverselor chimi. substanțe și solubilitate bună a sărurilor, to - t, baze și alți compuși (vezi. Disocierea, Electroliții). Odată cu creșterea concentrației de electrolit în apă, valoarea D. p. acestuia scade (de exemplu, pentru electroliții monovalenți, D. p. Apei scade cu unu când concentrația de sare crește cu 0,1 M).

Cele mai multe obiecte biol aparțin unor dielectrici eterogene. Când ionii de biol, un obiect interacționează cu un câmp electric, polarizarea interfețelor are o importanță semnificativă (vezi. Membrane biologice). În acest caz, cu cât frecvența câmpului electric este mai mică, cu atât amploarea polarizării este mai mare. Deoarece polarizarea limitelor biolului, obiectul depinde de permeabilitatea lor (vezi) pentru ioni, este evident că D. efectiv al articolului este determinat în mare măsură de starea membranelor.

Din moment ce polarizarea unui obiect eterogen atât de complex ca unul biologic are natură diferită(concentrație, macrostructurală, orientativă, ionică, electronică etc.), atunci devine clar că, odată cu creșterea frecvenței, modificarea DP (dispersie) este exprimată brusc. În mod convențional, se disting trei regiuni de dispersie: dispersia alfa (la frecvențe de până la 1 kHz), dispersia beta (frecvențele de la câțiva kHz la zeci de MHz) și dispersia gamma (frecvențele peste 109 Hz); în biol, obiectele nu există de obicei o graniță clară între zonele de dispersie.

Odată cu deteriorarea funkts, starea biol, obiectul, dispersia D. elementului la frecvențe joase scade până la dispariția completă (odată cu moartea țesuturilor). La frecvențe înalte, mărimea D. p. Nu se modifică semnificativ.

D. p. Se măsoară într-un interval larg de frecvență și, în funcție de intervalul de frecvență, metodele de măsurare se modifică și ele semnificativ. La frecvențe de curent electric mai mici de 1 Hz, măsurarea se efectuează 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 D. şi. sunt utilizate metode speciale de rezonanță și punte, care fac posibilă investigarea cuprinzătoare a modificărilor diafragmei diferitelor substanțe în modul cel mai complet și versatil.

În biologia medicală, cercetarea, punțile de curent alternativ simetrice cu citirea directă a valorilor măsurate sunt cel mai des utilizate.

Bibliografie:Încălzirea de înaltă frecvență a dielectricilor și semiconductorilor, ed. A. V. Netushila, M. -L., 1959, bibliogr.; Cu edunov BI și Fran to-K și m e-N e c și y DA Constanta dielectrică a obiectelor biologice, Usp. fizic Științe, v. 79, v. 4, p. 617, 1963, bibliogr.; Electronică și Cibernetică în Biologie și Medicină, trad. din engleză, ed. P.K. Anokhin, p. 71, M., 1963, bibliogr.; E m e F. Măsurători dielectrice, trans. din ea., M., 1967, bibliogr.

Constanta dielectrică constanta dielectrică

valoarea ε, care arată de câte ori forța de interacțiune a două sarcini electrice într-un mediu este mai mică decât în ​​vid. Într-un mediu izotrop, ε este legat de susceptibilitatea dielectrică χ prin raportul: ε = 1 + 4π χ. Constanta dielectrică a unui mediu anizotrop este un tensor. Constanta dielectrică depinde de frecvența câmpului; în câmpuri electrice puternice Constanta dielectrică începe să depindă de intensitatea câmpului.

CONSTANTA DIELECTRICA

PERMEABILITATEA DIELECTRICĂ, o mărime adimensională e, care arată de câte ori forța de interacțiune F dintre sarcinile electrice dintr-un mediu dat este mai mică decât forța lor de interacțiune F o în vid:
e = F despre / F.
Constanta dielectrică arată de câte ori câmpul este slăbit de un dielectric (cm. DIELECTRICĂ), care caracterizează cantitativ proprietatea unui dielectric de a fi polarizat într-un câmp electric.
Valoarea permisivității relative a unei substanțe, care caracterizează gradul de polarizabilitate a acesteia, este determinată de mecanismele de polarizare (cm. POLARIZARE)... Cu toate acestea, valoarea depinde și în mare măsură de starea de agregare a substanței, deoarece în timpul tranzițiilor de la o stare la alta, densitatea substanței, vâscozitatea și izotropia acesteia se modifică semnificativ. (cm. ISOTROPIE).
Constanta dielectrica a gazelor
Substantele gazoase se caracterizeaza prin densitati foarte mici datorita distantelor mari dintre molecule. Din acest motiv, polarizarea tuturor gazelor este nesemnificativă și constanta lor dielectrică este aproape de unitate. Polarizarea gazului poate fi pur electronică sau dipol dacă moleculele de gaz sunt polare, totuși, în acest caz, polarizarea electronică este de importanță primordială. Cu cât raza moleculei de gaz este mai mare, cu atât polarizarea diferitelor gaze este mai mare și este numeric apropiată de pătratul indicelui de refracție pentru acest gaz.
Dependența unui gaz de temperatură și presiune este determinată de numărul de molecule pe unitatea de volum de gaz, care este proporțional cu presiunea și invers proporțional cu temperatura absolută.
Aerul dinăuntru conditii normale e = 1,0006, iar coeficientul său de temperatură este de aproximativ 2. 10 -6 K -1.
Constanta dielectrică a dielectricilor lichidi
Fluidele dielectrice pot fi compuse din molecule nepolare sau polare. Valoarea e a lichidelor nepolare este determinată de polarizarea electronică, prin urmare este mică, apropiată de valoarea pătratului refracției luminii și de obicei nu depășește 2,5. Dependența lui e a unui lichid nepolar de temperatură este asociată cu o scădere a numărului de molecule pe unitate de volum, adică cu o scădere a densității, iar coeficientul său de temperatură este apropiat de coeficientul de temperatură al expansiunii volumetrice a lichidului. , dar diferă în semn.
Polarizarea lichidelor care conțin molecule dipol este determinată simultan de componentele electronice și de relaxare dipol. Astfel de lichide au cu cât constanta dielectrică este mai mare, cu atât valoarea momentului electric al dipolilor este mai mare (cm. DIPOL)și cu cât este mai mare numărul de molecule pe unitate de volum. Dependența de temperatură în cazul lichidelor polare este complexă.
Constanta dielectrică a dielectricilor solizi
În solide, poate lua o varietate de valori numerice în conformitate cu varietatea caracteristici structurale dielectric solid. Toate tipurile de polarizare sunt posibile în dielectricii solizi.
Cea mai mică valoare a lui e este pentru dielectricii solizi constând din molecule nepolare și care posedă doar polarizare electronică.
Dielectricii solizi, care sunt cristale ionice cu împachetare strânsă a particulelor, au polarizări electronice și ionice și au valori e care se află în limite largi (e sare gemă - 6; e corindon - 10; e rutil - 110; e titanat de calciu - 150).
Ea diferitelor sticle anorganice, care se apropie ca structură de dielectricii amorfi, se află într-un interval relativ îngust de la 4 la 20.
Dielectricii organici polari au o polarizare de relaxare dipol în stare solidă. E dintre aceste materiale depinde în mare măsură de temperatura și frecvența tensiunii aplicate, respectând aceleași legi ca și pentru fluidele dipol.

Dicţionar enciclopedic. 2009 .

Vedeți ce este „constanta dielectrică” în alte dicționare:

Valoarea lui e, care arată de câte ori forța de interacțiune a două sarcini electrice într-un mediu este mai mică decât în ​​vid. Într-un mediu izotrop, e este legat de susceptibilitatea dielectrică cu raportul: e = 1 + 4pc. Constanta dielectrica... Dicţionar enciclopedic mare

Valoarea lui e, care caracterizează polarizarea dielectricilor sub acțiunea electrică. câmpul ED este inclus în legea lui Coulomb ca o mărime care arată de câte ori forța de preluare a două sarcini libere într-un dielectric este mai mică decât în ​​vid. Slăbirea ...... Enciclopedie fizică

PERMISIBILITATE DIELECTRICĂ, Valoarea lui e, care arată de câte ori forța de interacțiune a două sarcini electrice într-un mediu este mai mică decât în ​​vid. Valoarea lui e variază foarte mult: hidrogen 1,00026, ulei de transformator 2,24, ... ... Enciclopedie modernă

- (notația e), în fizică una dintre proprietățile diferitelor materiale (vezi DIELECTRIC). Se exprimă prin raportul dintre densitatea DEBUTULUI ELECTRIC în mediu și intensitatea CÂMPULUI ELECTRIC care îl provoacă. Constanta dielectrica a vidului ...... Dicționar enciclopedic științific și tehnic

constanta dielectrică- O mărime care caracterizează proprietățile dielectrice ale unei substanțe, scalară pentru o substanță izotropă și tensor pentru o substanță anizotropă, al cărei produs prin intensitatea câmpului electric este egal cu deplasarea electrică. [GOST R 52002 2003] ... ... Ghidul tehnic al traducătorului

Constanta dielectrică- PERMISIBILITATEA DIELECTRICĂ, valoarea lui e, care arată de câte ori forța de interacțiune a două sarcini electrice într-un mediu este mai mică decât în ​​vid. Valoarea lui e variază foarte mult: hidrogen 1,00026, ulei de transformator 2,24, ... ... Dicţionar Enciclopedic Ilustrat

Constanta dielectrică- o mărime care caracterizează proprietățile dielectrice ale unei substanțe, scalară pentru o substanță izotropă și tensor pentru o substanță anizotropă, al cărei produs prin intensitatea câmpului electric este egal cu deplasarea electrică ... Sursa: ... ... Terminologie oficială

constanta dielectrică- constanta dielectrica absoluta; ramură. constantă dielectrică O mărime scalară care caracterizează proprietățile electrice ale unui dielectric, egală cu raportul dintre deplasarea electrică și intensitatea câmpului electric... Dicţionar explicativ terminologic politehnic

Constanta dielectrică absolută Constanta dielectrică relativă Constanta dielectrică a vidului ... Wikipedia

constanta dielectrică- dielektrinė skvarba statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektrinio srauto tankio tiriamojoje medžiagoje ir elektrinio lauko stiprio santykis. atitikmenys: angl. constantă dielectrică; permisivitatea dielectrică; permisivitatea rus. dielectric ...... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Cărți

• Proprietățile materialelor. Anizotropie, simetrie, structură. Pe. din engleza , Newnham RE. Această carte este dedicată anizotropiei și relației dintre structura materialelor și proprietățile lor. Acoperă o gamă largă de subiecte și este un fel de curs introductiv dupa proprietatile fizice...

Cursul numărul 19

1. Natura conductibilității electrice a dielectricilor gazoși, lichidi și solizi

Constanta dielectrică

Constanta dielectrică relativă sau constanta dielectrică ε este unul dintre cei mai importanți parametri electrici macroscopici ai unui dielectric. Constanta dielectricăε caracterizează cantitativ capacitatea unui dielectric de a fi polarizat într-un câmp electric și, de asemenea, estimează gradul de polaritate a acestuia; ε este o constantă a unui material 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 un condensator plat, capacitatea este CU,Ф, este exprimat prin formula (1)

unde S este aria electrodului de măsurare, m 2; h - grosimea dielectrică, m. Din formula (1) se poate observa că cu cât valoarea este mai mare ε cu dielectricul 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, condensator acumulat și aplicat acestuia energie electrică

tensiune U (2):

Din formula (2) rezultă că sarcina electrică QK, acumulat de condensator, proporțional cu valoarea ε dielectric. știind QK iar dimensiunile geometrice ale condensatorului pot fi determinate ε material dielectric pentru o tensiune dată.

Luați în considerare mecanismul de formare a sarcinii QK pe electrozii unui condensator cu un dielectric și din ce constituenți este compusă această sarcină. Pentru a face acest lucru, luați doi condensatori plati de aceleași dimensiuni geometrice: unul cu vid, celălalt cu un spațiu interelectrod umplut cu un dielectric și aplicați-le aceeași tensiune electrică. U(fig. 1). Pe electrozii primului condensator se formează o sarcină Q0, pe electrozii celui de-al doilea - QK... La rândul său, taxa QK este suma taxelor Q0și Q(3):

Încărca Q 0 este format dintr-un câmp extern E0 prin acumularea de sarcini externe cu o densitate de suprafață σ 0 pe electrozii condensatorului. 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 cs îndreptat opus câmpului E O.

Constanta dielectrică a dielectricului considerat poate fi reprezentată ca raport al sarcinii QK un condensator umplut cu un dielectric pentru a se încărca Q0 același condensator cu vid (3):

Din formula (3) rezultă că constanta dielectrică ε - cantitatea este adimensionala, iar pentru orice dielectric este mai mult de unu; în caz de vid ε = 1. Din exemplul considerat,

se vede că densitatea de sarcină pe electrozii unui condensator cu un dielectric în ε de ori mai mare decât densitatea de sarcină pe electrozii unui condensator cu vid și intensitatea la aceleași tensiuni 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 constanta dielectrică absolută ε a, F / m, (4)

care nu are sens fizic și este folosit în electrotehnică.

Modificarea relativă a constantei dielectrice εr cu o creștere a temperaturii cu 1 K se numește coeficientul de temperatură al constantei dielectrice.

ТКε = 1 / εr d εr / dT К-1 Pentru aer la 20 ° С ТК εr = -2,10-6К-

Îmbătrânirea electrică în feroelectrice este exprimată ca o scădere a εr în timp. Motivul este regruparea domeniilor.

O schimbare deosebit de accentuată a constantei dielectrice în timp este observată la temperaturi apropiate de punctul Curie. Încălzirea feroelectricilor la o temperatură peste punctul Curie și răcirea ulterioară aduce εr la valoarea anterioară. Aceeași restabilire a constantei dielectrice poate fi efectuată acționând asupra feroelectricului cu un câmp electric de rezistență crescută.

Pentru dielectrici complexe - un amestec mecanic de două componente cu εr diferit în prima aproximare: εrх = θ1 εr1х θ εr2х, unde θ este concentrația volumică a componentelor amestecului, εr este permitivitatea 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 de momentul electric al unei unități de volum, polarizarea P, C/m2, care este legată de permisivitatea sa relativă de exemplu: P = e0 (de exemplu - 1) E, unde e0 = 8,85 ∙ 10-12 F/m. Produsul e0 ∙ eг = e, F / m, se numește constantă dielectrică absolută. La dielectricii gazoși diferă puțin de 1,0, la lichid și solid nepolar ajunge la 1,5 - 3,0, la polar are valori mari; în cristale ionice de ex. este 5-MO, iar la cele cu o rețea cristalină de perovskit ajunge la 200; în feroelectrice de exemplu - 103 și mai mult.

La dielectricii nepolari, odata cu cresterea temperaturii, ex. usor scade, la schimbarile polare sunt asociate cu predominarea unuia sau altui tip de polarizare, in cristalele ionice creste, la unele feroelectrice ajunge la 104 si mai mult la temperatura Curie. Schimbările de temperatură, de exemplu, sunt caracterizate de coeficientul de temperatură. Pentru dielectricii polari, o scădere a de ex. este caracteristică în domeniul de frecvență în care timpul t pentru polarizare este proporțional cu T / 2.

Informații similare.