Діелектрична проникність: що це таке, формула, таблиця - Asutpp

• Просте пояснення
• Діелектрична проникність вакууму
• Закон Кулона та електричний потенціал
• Діелектрична проникність: загальний випадок
• Відносні діелектричні проникності окремих матеріалів
• Список використаної літератури

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

У цій статті ми розповімо про найважливіші речі, пов'язані з діелектричною проникністю. Серед іншого, ви дізнаєтеся про важливі ролі, які вона грає, і про її типові значення.

Просте пояснення

У повсякденному житті ви стикаєтеся з різними речовинами, такими як метали, вода або кисень. Кожна з цих речовин по-різному реагує на електричні поля.

Діелектрична проникність (діелектрична постійна або абсолютна діелектрична проникність) ε описує здатність матеріалу до поляризації електричними полями і визначається наступним чином: ε=ε_rε_.

Тут ε_r- відносна проникність, а ε_{0 - електрична постійна (або діелектрична проникність вакууму).}

Якщо розуміти значення терміна «проникність» буквально, це міра того, наскільки сильно матерія «пропускає» електричне поле. Тому проникність можна розглядати як міру того, наскільки матерія може бути поляризована.

Діелектрична проникність вакууму

Особливу роль відіграє діелектрична проникність вакууму (також звана проникністю вакууму). У цьому розділі ми розповімо вам про значення та одиниці виміру проникності вакууму, про те, як вона пов'язана з іншими константами, та про її значення в контексті інших важливих законів.

Числове значення та одиниця виміру

Діелектрична проникність вакууму ε₀має значення 8,8541878176203910^-12або 8^{, що більш практично для розрахунків.Одиницею вимірювання константи є [ Ф·м}−1^{] або якщо виражати через основні одиниці СІ [ м}−3^·кг− 1^·с4^·А2^].

Взаємозв'язок з іншими константами

Існує чудовий зв'язок між електричною постійно ε₀, магнітною постійно μ‎₀і швидкістю світла у вакуумі з₀. Тобто вірно таке співвідношення: c₀²=1 / 0_.

До 2019 року це рівняння точно визначало значення постійного електричного поля. Однак у ході перегляду ситуація змінилася, і з 20 травня 2019 року як електрична постійна, так і магнітна постійна мають певну похибку виміру.

Це рівняння було першою вказівкою на те, що світло може бути електромагнітною хвилею.

Закон Кулона та електричний потенціал

Крім зв'язку зі швидкістю світла, електрична постійна фігурує в інших важливих законах електродинаміки. До них відносяться, наприклад:

• Закон Кулона:

• Електричний потенціал зарядженої частки: φ(r)=q / 4πε_{0r .}

Зокрема, закон Кулона є основою електростатики, тому константа електричного поля також має велике значення.

Діелектрична проникність: загальний випадок

У цьому розділі ми розглянемо загальний випадок. Ми пояснимо фізичний сенс абсолютної діелектричної проникності за допомогою електроізоляційних матеріалів і пояснимо, що таке відносна діелектрична проникність.

Діелектрична проникність діелектриків

В електроізолюючих матеріалах (діелектриках) електричні заряди пов'язані з атомами або молекулами. Тому можуть лише трохи переміщатися всередині атомів чи молекул. Електричне поле може змінити розподіл заряду в діелектриці двома важливими способами: деформацією та обертанням.Навіть якщо окремі електричні заряди можуть рухатися незначно, сукупність всіх рухів визначає поведінку електроізоляційного матеріалу.

Поляризація

Залежно від того, чи складається матеріал із полярних або неполярних молекул, реакція на зовнішнє електричне поле різна. З неполярною молекулою відбувається розтягування (деформація), у якому поле індукує дипольний момент у кожній молекулі матеріалу. Всі ці дипольні моменти спрямовані в той же бік, що й електричне поле.

У полярній молекулі, з іншого боку, відбувається обертання, отже, і тут всі дипольні моменти спрямовані у бік електричного поля. У цілому нині зовнішнє електричне полі викликає освіту у матеріалі великої кількості диполів, всі з яких орієнтовані у тому напрямі, як і зовнішнє поле. Таким чином, матеріал поляризується. Поляризація P визначає, скільки дипольних моментів посідає одиницю обсягу матеріалу.

Діелектрична проникність діелектриків

Таким чином, поляризація діелектрика викликається електричним полем. Виникаючі спрямовані дипольні моменти, своєю чергою, створюють електричне полі, протидіє зовнішньому полю. Таким чином це протилежне поле послаблює зовнішнє поле. В цілому, зв'язок між поляризацією та зовнішнім електричним полем складний. Для багатьох речовин, про лінійних діелектриків, поляризація пропорційна полю. Застосовується таке співвідношення:

P=ε_{0χE , де}

Тут ε_{0 - електрична постійна, а χ - електрична поляризуемість. Електричне поле E у цьому рівнянні є повним полем. Тому причиною цього можуть бути частково вільні заряди та частково сама поляризація. Вільні заряди – це всі ті носії заряду, які не є результатом поляризації. Таким чином це повне електричне поле дуже важко розрахувати, оскільки ми зазвичай не маємо інформації про розподіл поляризаційних зарядів.}

Для довідки: χ - коефіцієнт, що залежить від хімічного складу, концентрації, структури (у тому числі від агрегатного стану) середовища, температури, механічних напруг і т. д. (від одних факторів сильніше, від інших слабше, звичайно ж і залежно від діапазону змін кожного), і званий (електричною) поляризованістю (а частіше, принаймні для того випадку, коли він виражається скаляром - діелектричною сприйнятливістю) даного середовища.

Вікіпедія

Електрична індукція

Щоб мати можливість розрахувати електричне поле навіть у присутності діелектрика, вводиться електрична індукція D. У лінійному середовищі: D=ε₀E + P=ε₀E + ε₀χ_eE=ε₀( 1 + χ_{e )E і тому D також пропорційна E.}

Якщо ви об'єднаєте константи разом ε=ε₀( 1 + χ_{e ), то вийде: D=εE .}

Постійна ε і називається діелектричною проникністю.

Відносна діелектрична проникність

Величина: ε_r=1 + χ_e=ε / ε₀проникністю (також відносною діелектричною проникністю). З його допомогою повне електричне поле в присутності діелектрика визначається наступним чином: E=D / ε=D / ε_r

При постійній електричній індукції відносна проникність, таким чином, визначає, наскільки сильно послаблюється електричне поле. Чим більша відносна проникність, тим більше послаблюється електричне поле і, отже, зменшується загальна напруженість електричного поля.

Термін відносна проникність може призвести до неправильного розуміння того, що відносна проникність для даного матеріалу є константою. Насправді відносна проникність залежить від багатьох факторів. Серед них:

• температура матеріалу;
• частота зовнішнього електричного поля;
• напруженість зовнішнього електричного поля.

Для деяких матеріалів відносна проникність додатково залежить від напрямку. Отже, у разі таких матеріалів це не просто число, а часто тензор другого порядку.

Особливо наочну ілюстрацію впливу діелектриків з різною відносною проникністю можна отримати, помістивши діелектрик між двома пластинами конденсатора. Якщо виміряти електричну напругу на конденсаторі до і після введення діелектрика, можна виявити, що напруга на конденсаторі зменшується рівно на величину відносної діелектричної проникності. Це безпосередньо з рівняння: E=U / d для величини електричного поля між пластинами конденсатора, розташованими з відривом d друг від друга. Це також ілюструє, чому ε_rназивається відносною проникністю.Напруга на конденсаторі зменшується на коефіцієнт ε_rза рахунок введення діелектрика, порівняно з випадком, коли між пластинами тільки вакуум.

Відносні діелектричні проникності окремих матеріалів

Нарешті, ми наводимо таблицю з типовими значеннями відносної діелектричної проникності (відносної діелектричної проникності) різних матеріалів. Слід зазначити, що у таких таблицях зазвичай вказується відносна проникність, а чи не сама абсолютна діелектрична проникність. Тому, якщо ви шукаєте таблицю для визначення абсолютної діелектричної проникності певного матеріалу, ви повинні пам'ятати, що наведене значення не є безпосередньо тією проникністю, яку ви шукаєте. Однак для заданого значення відносної проникності можна обчислити абсолютну відповідну діелектричну проникність без особливих додаткових зусиль. Тобто потрібно застосовувати наступну вже відому нам формулу: ε=ε_rε_{0 .}

Таблиця 1. Відносна діелектрична проникність вибраних речовин(якщо не вказано 50 Гц)

Речовина	εr
Вакуум	рівно 1
Гелій	1,000065
Медь	5,6
Повітря (сухе)	1,00059
Метанол	32,6
Папір	1 - 4
Вода ( 20°C, 0 - 3 ГГц )	80
Вода ( 0°C, 0 - 1 ГГц )	88

У попередньому розділі ми згадували, що відносна проникність залежить, крім іншого, від температури та частоти.Тому важливо знати і температуру, і частоту, якщо хочете отримати значення з таблиці. Наприклад, відносна проникність води при температурі 20°C і частоті 0 ГГц дорівнює 80. Якщо температура 0°C, а частота та ж, відносна проникність води дорівнює 88. Мідь, з іншого боку, має відносну проникність 5,6. Це означає, що вода як середовище зменшить напругу на конденсаторі в 80 разів, у той час як мідь зменшить її лише в 5,6 разів.

Список використаної літератури

Курс фізики для ФМШ при НГУ, розділ «Електромагнітне поле», гол. 2: «Діелектрики».
1. Фейнман Р., Лейтон Р., Сендс М. Фейнманівські лекції з фізики. - М: Мир, 1965.
2. Сівухін Д. В. Загальний курс фізики. - М – Т. III. Електрика.
3. Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В. Електромагнітні поля та хвилі. М: Рад. радіо, 1971. З. 11.

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!