Le accuse interagiscono tra loro in diversi media con forze diverse, determinate dalla legge di Coulomb. Le proprietà di questi mezzi sono determinate da una quantità chiamata permittività.
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Cos'è la costante dielettrica
Secondo La legge di Coulomb, due cariche in punto fisso q1 e q2 nel vuoto interagiscono tra loro con la forza data dalla formula Fclasse=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), dove:
- Fclasse è la forza di Coulomb, N;
- q1, q2 sono moduli di carica, C;
- r è la distanza tra le cariche, m;
- ε0 - costante elettrica, 8,85 * 10-12 F/m (Farad al metro).
Se l'interazione non avviene nel vuoto, la formula include un'altra quantità che determina l'influenza della materia sulla forza di Coulomb e la legge di Coulomb è scritta come segue:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Questo valore è indicato dalla lettera greca ε (epsilon), è adimensionale (non ha unità di misura). La permittività dielettrica è il coefficiente di attenuazione dell'interazione di cariche in una sostanza.
Spesso in fisica la permittività è usata insieme alla costante elettrica, nel qual caso è conveniente introdurre il concetto di permittività assoluta. È indicato con εun ed è uguale a εun= ε*es. In questo caso la permeabilità assoluta ha dimensione F/m. La permeabilità ordinaria ε è anche chiamata relativa per distinguerla da εun.
La natura della permittività
La natura della permittività si basa sul fenomeno della polarizzazione sotto l'azione di un campo elettrico. La maggior parte delle sostanze sono generalmente elettricamente neutre, sebbene contengano particelle cariche. Queste particelle si trovano casualmente nella massa della materia e i loro campi elettrici, in media, si neutralizzano a vicenda.
Nei dielettrici ci sono principalmente cariche legate (si chiamano dipoli). Questi dipoli rappresentano convenzionalmente fasci di due particelle dissimili, che si orientano spontaneamente lungo lo spessore del dielettrico e, in media, creano un'intensità di campo elettrico pari a zero. Sotto l'azione di un campo esterno, i dipoli tendono ad orientarsi secondo la forza applicata. Di conseguenza, viene creato un campo elettrico aggiuntivo. Fenomeni simili si verificano anche nei dielettrici non polari.
Nei conduttori, i processi sono simili, solo ci sono cariche libere, che sono separate sotto l'azione di un campo esterno e creano anche il proprio campo elettrico. Questo campo è diretto verso quello esterno, scherma le cariche e riduce la forza della loro interazione.Maggiore è la capacità di polarizzazione di una sostanza, maggiore è ε.
Costante dielettrica di varie sostanze
Sostanze diverse hanno costanti dielettriche diverse. Il valore di ε per alcuni di essi è riportato nella Tabella 1. È ovvio che questi valori sono maggiori dell'unità, quindi l'interazione delle cariche, rispetto al vuoto, diminuisce sempre. Va anche notato che per l'aria ε è leggermente superiore all'unità, quindi l'interazione delle cariche nell'aria praticamente non differisce dall'interazione nel vuoto.
Tabella 1. Valori di permeabilità elettrica per varie sostanze.
| Sostanza | La costante dielettrica |
|---|---|
| Bachelite | 4,5 |
| Carta | 2,0..3,5 |
| Acqua | 81 (a +20 gradi C) |
| Aria | 1,0002 |
| Germanio | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Legna | 2.7..7.5 (vari gradi) |
| Ceramiche radiotecniche | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Bicchiere | 7 |
| Textolite | 7,5 |
| Polistirolo | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluoroplasto | 2,1 |
| Ambra | 2,7 |
Costante dielettrica e capacità del condensatore
Conoscere il valore di ε è importante nella pratica, ad esempio, quando si creano condensatori elettrici. Loro capacità dipende dalle dimensioni geometriche delle piastre, dalla distanza tra loro e dalla permittività del dielettrico.
Se hai bisogno di ottenere condensatore maggiore capacità, quindi un aumento dell'area delle piastre porta ad un aumento delle dimensioni. Esistono anche limiti pratici alla riduzione della distanza tra gli elettrodi. In questo caso, l'uso di un isolante con costante dielettrica aumentata può aiutare. Se utilizzi un materiale con ε maggiore, puoi moltiplicare riducendo la dimensione delle lastre o aumentare la distanza tra loro senza perdite capacità elettrica.
Le sostanze chiamate ferroelettriche si distinguono in una categoria separata, in cui, in determinate condizioni, si verifica una polarizzazione spontanea.Nell'area in esame, sono caratterizzati da due punti:
- grandi valori di permittività dielettrica (valori tipici - da centinaia a diverse migliaia);
- la capacità di controllare il valore della costante dielettrica modificando il campo elettrico esterno.
Queste proprietà vengono utilizzate per la produzione di condensatori ad alta capacità (a causa dell'aumento del valore della costante dielettrica dell'isolante) con indicatori di peso e dimensioni ridotti.
Tali dispositivi funzionano solo in circuiti a corrente alternata a bassa frequenza: all'aumentare della frequenza, la loro costante dielettrica diminuisce. Un'altra applicazione del ferroelettrico sono i condensatori variabili, le cui caratteristiche cambiano sotto l'influenza di un campo elettrico applicato con parametri variabili.
Costante dielettrica e perdite dielettriche
Inoltre, le perdite nel dielettrico dipendono dal valore della costante dielettrica: questa è la parte dell'energia che viene persa nel dielettrico per riscaldarlo. Per descrivere queste perdite, viene solitamente utilizzato il parametro tan δ, la tangente dell'angolo di perdita del dielettrico. Caratterizza la potenza delle perdite dielettriche in un condensatore, in cui il dielettrico è costituito da un materiale con una tg δ disponibile. E la perdita di potenza specifica per ciascuna sostanza è determinata dalla formula p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, dove:
- p è la potenza dissipata specifica, W;
- ώ=2*π*f è la frequenza circolare del campo elettrico;
- E è l'intensità del campo elettrico, V/m.
Ovviamente, maggiore è la costante dielettrica, maggiori sono le perdite nel dielettrico, a parità di altre condizioni.
Dipendenza della permittività da fattori esterni
Si precisa che il valore della permittività dipende dalla frequenza del campo elettrico (in questo caso dalla frequenza della tensione applicata alle piastre). All'aumentare della frequenza, il valore di ε diminuisce per molte sostanze. Questo effetto è pronunciato per i dielettrici polari. Questo fenomeno può essere spiegato dal fatto che le cariche (dipoli) cessano di avere il tempo di seguire il campo. Per le sostanze caratterizzate da polarizzazione ionica o elettronica, la dipendenza della permittività dalla frequenza è piccola.
Pertanto, la selezione dei materiali per realizzare un dielettrico del condensatore è così importante. Ciò che funziona alle basse frequenze non fornirà necessariamente un buon isolamento alle alte frequenze. Molto spesso, i dielettrici non polari vengono utilizzati come isolanti in HF.
Inoltre, la costante dielettrica dipende dalla temperatura e in diverse sostanze in modi diversi. Per i dielettrici non polari, diminuisce all'aumentare della temperatura. In questo caso, per i condensatori realizzati con un tale isolante, si parla di un coefficiente di capacità di temperatura negativo (TKE) - capacità diminuisce all'aumentare della temperatura dopo ε. Per altre sostanze, la permeabilità aumenta all'aumentare della temperatura e si possono ottenere condensatori con un TKE positivo. Includendo condensatori con TKE opposto in una coppia, puoi ottenere una capacità termicamente stabile.
Comprendere l'essenza e la conoscenza del valore della permittività di varie sostanze è importante ai fini pratici. E la capacità di controllare il livello della costante dielettrica fornisce ulteriori prospettive tecniche.
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