Dielektrična konstanta: što je to, formula, tablica - Asutpp

• Jednostavno objašnjenje
• Vakuumska permitivnost
• Coulombov zakon i električni potencijal
• Dielektrična konstanta: opći slučaj
• Relativne permitivnosti pojedinačnih materijala
• Popis referenci

Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!

U ovom ćemo članku pokriti najvažnije stvari vezane uz dielektričnu konstantu. Između ostalog, naučit ćete o važnim ulogama koje igra i njezinim tipičnim značenjima.

Jednostavno objašnjenje

U svakodnevnom životu susrećete se s raznim tvarima poput metala, vode ili kisika. Svaka od ovih tvari drugačije reagira na električna polja.

Dielektrična konstanta (dielektrična konstanta ili apsolutna permitivnost) ε opisuje sposobnost materijala da bude polariziran električnim poljima i definirana je na sljedeći način: ε=ε_rε_0.

Ovdje je ε_rrelativna propusnost, a ε_{0 električna konstanta (ili permitivnost vakuuma).}

Ako doslovno shvatimo značenje pojma "propusnost" , onda je ovo mjera koliko materije "prolazi" električno polje. Stoga se propusnost može smatrati mjerom koliko se materija može polarizirati.

Vakuumska permitivnost

Permitivnost vakuuma (također nazvana permitivnost vakuuma) ima posebnu ulogu. U ovom odjeljku reći ćemo vam o značenju i jedinicama propusnosti vakuuma, kako se ona odnosi na druge konstante i njeno značenje u kontekstu drugih važnih zakona.

Brojčana vrijednost i mjerna jedinica

Vakuumska permitivnost ε₀je 8,8541878176203910^-12ili 8,8510^{-12što je praktičnije za izračune.Jedinica konstante je [ f·m}−1^{] ili ako je izražena u baznim SI jedinicama [ m}−3^kg− 1^c4^A2^].

Odnos s drugim konstantama

Postoji prekrasna veza između električne konstante ε₀, magnetske konstante μ‎₀i brzine svjetlosti u vakuumu c₀. Odnosno, sljedeća relacija je istinita: c₀²=1 / ε₀μ‎_{0 .}

Do 2019. ova je jednadžba točno određivala vrijednost konstante električnog polja. Međutim, tijekom revizije situacija se promijenila i od 20. svibnja 2019. i električna konstanta i magnetska konstanta imaju određenu pogrešku mjerenja.

Ova je jednadžba bila prvi pokazatelj da bi svjetlost mogla biti elektromagnetski val.

Coulombov zakon i električni potencijal

Osim što je povezana s brzinom svjetlosti, električna konstanta pojavljuje se u drugim važnim zakonima elektrodinamike. To uključuje, na primjer:

• Coulombov zakon:

• Električni potencijal nabijene čestice: φ ( r )=q / 4πε_{0r .}

Konkretno, Coulombov zakon je osnova elektrostatike, tako da je konstanta električnog polja također od velike važnosti.

Dielektrična konstanta: opći slučaj

U ovom odjeljku razmotrit ćemo opći slučaj. Objasnit ćemo fizičko značenje apsolutne permitivnosti pomoću električnih izolacijskih materijala i objasniti što je relativna permitivnost.

Dielektrična permitivnost dielektrika

U električno izolacijskim materijalima (dielektrici), električni naboji povezani su s atomima ili molekulama. Stoga se mogu samo neznatno kretati unutar atoma ili molekula. Električno polje može promijeniti raspodjelu naboja u dielektriku na dva važna načina: deformacijom i rotacijom.Čak i ako se pojedinačni električni naboji mogu malo pomaknuti, ukupnost svih pomaka određuje ponašanje električnog izolacijskog materijala.

polarizacija

Ovisno o tome sastoji li se materijal od polarnih ili nepolarnih molekula, odgovor na vanjsko električno polje je različit. Kod nepolarne molekule dolazi do istezanja (deformacije), pri čemu polje izaziva dipolni moment u svakoj molekuli materijala. Svi ti dipolni momenti pokazuju u istom smjeru kao i električno polje.

U polarnoj molekuli, pak, dolazi do rotacije, pa su i ovdje svi dipolni momenti usmjereni prema električnom polju. Općenito, vanjsko električno polje uzrokuje stvaranje velikog broja dipola u materijalu, od kojih su svi usmjereni u istom smjeru kao i vanjsko polje. Dakle, materijal je polariziran. Polarizacija P opisuje koliko dipolnih momenata postoji po jedinici volumena materijala.

Dielektrična konstanta dielektrika

Dakle, polarizaciju dielektrika uzrokuje električno polje. Nastali usmjereni dipolni momenti zauzvrat stvaraju električno polje koje se suprotstavlja vanjskom polju. Dakle, ovo suprotno polje slabi vanjsko polje. Općenito, odnos između polarizacije i vanjskog električnog polja je složen. Za mnoge tvari, takozvane linearne dielektrike, polarizacija je proporcionalna polju. Primjenjuje se sljedeći omjer:

P=ε_{0χE , gdje}

Ovdje je ε_{0 električna konstanta, a χ je električna polarizabilnost. Električno polje E u ovoj jednadžbi je ukupno polje. Dakle, razlog tome mogu biti dijelom slobodni naboji, a dijelom sama polarizacija.Slobodni naboji su svi oni nositelji naboja koji nisu rezultat polarizacije. Stoga je ovo ukupno električno polje vrlo teško izračunati, jer obično nemamo informacije o raspodjeli polarizacijskih naboja.}

Za referencu: χ je koeficijent koji ovisi o kemijskom sastavu, koncentraciji, strukturi (uključujući stanje agregacije) medija, temperaturi, mehaničkim naprezanjima itd. (jače na neke čimbenike, slabije na druge, naravno, i ovisno o rasponu promjena svake od njih), i naziva se (električna) polarizabilnost (a češće, barem za slučaj kada se izražava skalarom - dielektrična osjetljivost) danog medija.

Wikipedia

Električna indukcija

Da bismo mogli izračunati električno polje čak iu prisutnosti dielektrika, uvodi se električna indukcija D. U linearnom mediju: D=ε₀E + P=ε₀E + ε₀χ_eE=ε₀( 1 + χ_{e )E pa je D također proporcionalan E.}

Ako kombinirate konstante zajedno ε=ε₀( 1 + χ_{e), dobit ćete: D=εE .}

Konstanta ε naziva se permitivnost.

Relativna permitivnost

Vrijednost: ε_r=1 + χ_e=ε / ε₀zove se relativna permeabilnost (također relativna permitivnost). Uz njegovu pomoć, ukupno električno polje u prisutnosti dielektrika određuje se na sljedeći način:

S konstantnom električnom indukcijom, relativna permeabilnost stoga određuje koliko je električno polje oslabljeno. Što je veća relativna propusnost, to je električno polje više oslabljeno i, posljedično, opada ukupna jakost električnog polja.

Izraz relativna propusnost može dovesti do nesporazuma da je relativna propusnost za određeni materijal konstanta. Zapravo, relativna propusnost ovisi o mnogim čimbenicima. Među njima:

• temperatura materijala;
• frekvencija vanjskog električnog polja;
• jačina vanjskog električnog polja.

Za neke materijale relativna propusnost dodatno ovisi o smjeru. Stoga, u slučaju takvih materijala, ovo nije samo broj, već često tenzor drugog reda.

Posebno jasna ilustracija učinka dielektrika s različitom relativnom propusnošću može se dobiti postavljanjem dielektrika između dvije ploče kondenzatora. Ako izmjerimo napon na kondenzatoru prije i nakon uvođenja dielektrika, možemo ustanoviti da napon na kondenzatoru opada točno za vrijednost ε_rrelativne permitivnosti. To izravno slijedi iz jednadžbe: E=U/d za veličinu električnog polja između ploča kondenzatora razmaknutih d. Ovo također ilustrira zašto se ε_rnaziva relativnom propusnošću.Napon na kondenzatoru je smanjen za faktor ε_{r zbog uvođenja dielektrika, u odnosu na slučaj kada je između ploča samo vakuum.}

Relativne permitivnosti pojedinačnih materijala

Na kraju, nudimo tablicu s tipičnim vrijednostima za relativnu permitivnost (relativnu permitivnost) različitih materijala. Treba napomenuti da takve tablice obično pokazuju relativnu permitivnost, a ne samu apsolutnu permitivnost. Stoga, ako tražite tablicu za određivanje apsolutne permitivnosti određenog materijala, morate imati na umu da navedena vrijednost nije izravno permitivnost koju tražite. Međutim, za danu vrijednost relativne permitivnosti, odgovarajuća apsolutna permitivnost može se izračunati bez puno dodatnog napora. Odnosno, trebate primijeniti sljedeću formulu koja nam je već poznata: ε=ε_rε_{0 .}

50 Hz)

Tvar	εr
Vakuum	točno 1
helij	1.000065
Bakar	5,6
Zrak (suho)	1,00059
Metanol	32.6
Papir	1 - 4
Voda ( 20°C, 0 - 3 GHz )	80
Voda (0°C, 0 - 1 GHz)	88

U prethodnom odjeljku spomenuli smo da relativna propusnost ovisi, između ostalog, o temperaturi i frekvenciji.Stoga je važno znati i temperaturu i frekvenciju ako želite dobiti vrijednost iz tablice. Na primjer, relativna propusnost vode pri 20°C i frekvenciji od 0 GHz je 80. Ako je temperatura 0°C i frekvencija ista, relativna propusnost vode je 88. Bakar, s druge strane, ima relativnu propusnost od 5,6. To znači da će voda kao medij smanjiti napon na kondenzatoru za faktor 80, dok će ga bakar smanjiti samo za faktor 5,6.

Popis referenci

Tečaj fizike za FMS na NSU, odjeljak "Elektromagnetsko polje" , pogl. 2: "Dielektrici" .
1. Feynman R., Layton R., Sands M. Feynman Predavanja o fizici. - M.: Mir, 1965.
2. Sivukhin DV Opći tečaj fizike. - M - T. III. Struja.
3. Goldshtein L. D., Zernov N. V. Elektromagnetska polja i valovi. M.: Sov. radio, 1971. S. 11.

Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!