Η σχετική διαπερατότητα δεν μπορεί να είναι. Η διηλεκτρική σταθερά

Η διηλεκτρική σταθεράχαρακτηρίζει ποσοτικά τη διαδικασία της πόλωσης.

Διηλεκτρική διαπερατότητα (ή σχετική διαπερατότητα) ε είναι ο λόγος της απόλυτης διαπερατότητας μιας ουσίας ε a προς την ηλεκτρική σταθερά ε o.

Η τιμή της σχετικής διαπερατότητας των ηλεκτρικών μονωτικών υλικών μπορεί να υπολογιστεί συγκρίνοντας τις χωρητικότητες δύο πυκνωτών που έχουν το ίδιο σχήμα και γεωμετρικές διαστάσεις:

όπου C x είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή με το υπό δοκιμή διηλεκτρικό.

C o - χωρητικότητα του πυκνωτή με τις ίδιες γεωμετρικές διαστάσεις, αλλά στην περίπτωση που το δοκιμασμένο διηλεκτρικό αντικαθίσταται από κενό.

Η τιμή του ε του υπό μελέτη διηλεκτρικού μπορεί να προσδιοριστεί με τη μέτρηση της χωρητικότητας ενός πτυσσόμενου πυκνωτή δύο φορές: όταν υπάρχει ένα δεδομένο διηλεκτρικό μεταξύ των πλακών (C x) και όταν υπάρχει αέρας μεταξύ τους (C o). Η αντικατάσταση του κενού με αέρα δίνει ένα μικρό σφάλμα (εκατοστά του τοις εκατό).

Η πόλωση των αερίων ουσιών λόγω των μεγάλων αποστάσεων μεταξύ των μορίων είναι αμελητέα και η διαπερατότητα πλησιάζει τη μονάδα. Η διαπερατότητα ενός αερίου είναι ανάλογη της πίεσης και αντιστρόφως ανάλογη της απόλυτης θερμοκρασίας, αφού καθορίζεται από την αλλαγή στον αριθμό των μορίων ανά μονάδα όγκου. Ωστόσο, αυτή η εξάρτηση εκφράζεται ασθενώς.

Τα υγρά διηλεκτρικά μπορούν να κατασκευαστούν από ουδέτερα (μη πολικά) μόρια που έχουν μόνο ηλεκτρονική πόλωση, καθώς και από διπολικά (πολικά) μόρια, η πόλωση των οποίων προσδιορίζεται ταυτόχρονα από τα ηλεκτρονικά και δίπολα συστατικά.

Τα υγρά έχουν τη μεγαλύτερη διηλεκτρική σταθερά, τόσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της ηλεκτρικής ροπής των διπόλων και τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των μορίων ανά μονάδα όγκου. Η διαπερατότητα των ουδέτερων υγρών συνήθως δεν υπερβαίνει το 2,5. Υψηλά πολικά υγρά, που χαρακτηρίζονται από πολύ υψηλή διηλεκτρική σταθερά, όπως το νερό, η αιθυλική αλκοόλη, δεν βρίσκουν πρακτική χρήση ως διηλεκτρικά λόγω της υψηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητάς τους. Η διαπερατότητα ενός ουδέτερου υγρού είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη θερμοκρασία, καθώς όσο αυτή αυξάνεται, ο αριθμός των μορίων ανά μονάδα όγκου μειώνεται.

Η εξάρτηση από τη θερμοκρασία της διαπερατότητας των διπολικών υγρών είναι πιο περίπλοκη.

Σε χαμηλές θερμοκρασίες, η διαπερατότητα είναι μόνο ηλεκτρονικής φύσης· τα δίπολα δεν μπορούν ακόμη να περιστραφούν. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, το ιξώδες του υγρού μειώνεται και τα δίπολα αρχίζουν να προσανατολίζονται στο ηλεκτρικό πεδίο, γεγονός που οδηγεί σε απότομη αύξηση της διαπερατότητας. Με περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας, η αυξημένη κινητική ενέργεια της χαοτικής κίνησης των διπόλων παρεμβαίνει στον προσανατολισμό τους, και επομένως η διηλεκτρική σταθερά αρχίζει σταδιακά να μειώνεται (Εικ. 12.2).

Ρύζι. 12.2- Εξάρτηση της διηλεκτρικής σταθεράς από τη θερμοκρασία

Η διαπερατότητα ενός διπολικού υγρού εξαρτάται από τη συχνότητα του ρεύματος. Σε χαμηλές συχνότητες, τα δίπολα έχουν χρόνο να ακολουθήσουν την αλλαγή στο πεδίο και η τιμή της διαπερατότητας είναι κοντά στην τιμή της διαπερατότητας που καθορίζεται στο συνεχές ρεύμα. Καθώς η συχνότητα αυξάνεται, τα μόρια δεν έχουν χρόνο να ακολουθήσουν την αλλαγή στο πεδίο και η διαπερατότητα αρχίζει να μειώνεται. Σε υψηλή συχνότητα, η τιμή του πλησιάζει την τιμή μόνο λόγω της ηλεκτρονικής πόλωσης (Εικ. 12.3).

Ρύζι. 12.3- Εξάρτηση της διαπερατότητας από τη συχνότητα

Η διηλεκτρική σταθερά των πολικών υγρών είναι αυξημένη σε σύγκριση με τα ουδέτερα υγρά. Για παράδειγμα, για το sovtol η τιμή του είναι 3,2, για το καστορέλαιο - 4,5.

Η διαπερατότητα των στερεών μπορεί να λάβει μια ποικιλία τιμών σύμφωνα με την ποικιλία των δομικών χαρακτηριστικών των στερεών διηλεκτρικών. Η χαμηλότερη τιμή διηλεκτρικής διαπερατότητας έχουν στερεά διηλεκτρικά κατασκευασμένα από ουδέτερα μόρια και έχουν μόνο ηλεκτρονική πόλωση. Αυτός ο τύπος περιλαμβάνει παραφίνη με διηλεκτρική σταθερά 1,9 ... 2,2. Η εξάρτηση από τη θερμοκρασία της διαπερατότητας των ουδέτερων στερεών διηλεκτρικών είναι παρόμοια με αυτή των ουδέτερων υγρών. Στα στερεά διηλεκτρικά, τα οποία είναι ιοντικοί κρύσταλλοι με στενή συσσώρευση σωματιδίων και έχουν ηλεκτρονικές και ιοντικές πολώσεις, η τιμή της διαπερατότητας ποικίλλει σε πολύ μεγάλο εύρος. Με την αύξηση της θερμοκρασίας τέτοιων διηλεκτρικών, η διαπερατότητά τους αυξάνεται σχεδόν γραμμικά λόγω της αύξησης της ικανότητας πόλωσης των ιόντων, παρά τη μείωση της πυκνότητας της ουσίας.

Τα στερεά διπολικά διηλεκτρικά άμορφης και κρυσταλλικής δομής και τα ιοντικά άμορφα διηλεκτρικά, συμπεριλαμβανομένων των πολικών πολυμερών (βακελίτης, σελάκ, πλεξιγκλάς, εβονίτης, χλωριούχο πολυβινύλιο κ.λπ.), η κυτταρίνη και τα προϊόντα της επεξεργασίας της (galovax, ανόργανα γυαλιά), χαρακτηρίζονται από την παρουσία ηλεκτρονικών, ιοντικών και δομικών πόλωσης και χωρίζονται σε δύο υποομάδες:

Ιονικά άμορφα διηλεκτρικά (ανόργανα γυαλιά), των οποίων η δομική πόλωση συνίσταται στη μεταφορά ιόντων με θερμική κίνηση μέσα σε ένα κλειστό στοιχείο, κατευθυνόμενη από ηλεκτρικό πεδίο. η διηλεκτρική σταθερά των γυαλιών είναι στην περιοχή από 4 έως 20.

Διπολικά άμορφα και κρυσταλλικά στερεά στα οποία υπάρχει διπολική πόλωση σε στερεή κατάσταση, παρόμοια με την πόλωση των διπολικών υγρών, αλλά με εντελώς διαφορετικούς χρόνους χαλάρωσης. Η διηλεκτρική διαπερατότητα των υλικών της δεύτερης υποομάδας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία και τη συχνότητα της εφαρμοζόμενης τάσης, υπακούοντας στους ίδιους νόμους με αυτούς που παρατηρούνται στα διπολικά διηλεκτρικά.

Η χωρητικότητα του υλικού εξαρτάται από την τιμή της διηλεκτρικής σταθεράς. Επομένως, για παράδειγμα, η εξαιρετικά υψηλή διαπερατότητα ενός κεραμικού σιδηροηλεκτρικού διηλεκτρικού χρησιμοποιείται σε πυκνωτές μικρού μεγέθους. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι η διηλεκτρική διαπερατότητα των σιδηροδιηλεκτρικών έχει έντονη εξάρτηση όχι μόνο από τη θερμοκρασία, αλλά και από την ένταση του πεδίου, ενώ έχει σημειωθεί το φαινόμενο της διηλεκτρικής υστέρησης των σιδηροδιηλεκτρικών.

Διάλεξη #19

Η φύση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των αέριων, υγρών και στερεών διηλεκτρικών

Η διηλεκτρική σταθερά

Σχετική διαπερατότητα, ή επιτρεπτότητα εείναι μια από τις πιο σημαντικές μακροσκοπικές ηλεκτρικές παραμέτρους ενός διηλεκτρικού. Η διηλεκτρική σταθεράε χαρακτηρίζει ποσοτικά την ικανότητα ενός διηλεκτρικού να πολώνεται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο και επίσης αξιολογεί τον βαθμό της πολικότητας του. ε είναι η σταθερά του διηλεκτρικού υλικού σε δεδομένη θερμοκρασία και συχνότητα της ηλεκτρικής τάσης και δείχνει πόσες φορές το φορτίο ενός πυκνωτή με ένα διηλεκτρικό είναι μεγαλύτερο από το φορτίο ενός πυκνωτή ίδιου μεγέθους με κενό.

Η διηλεκτρική σταθερά καθορίζει την τιμή της ηλεκτρικής χωρητικότητας του προϊόντος (πυκνωτής, μόνωση καλωδίου κ.λπ.). Για επίπεδη χωρητικότητα πυκνωτή ΑΠΟ,Φ, εκφράζεται με τον τύπο (1)

όπου S είναι η περιοχή του ηλεκτροδίου μέτρησης, m 2; h είναι το πάχος του διηλεκτρικού, m. Από τον τύπο (1) φαίνεται ότι όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή ε χρησιμοποιούμενο διηλεκτρικό, τόσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή με τις ίδιες διαστάσεις. Με τη σειρά του, η ηλεκτρική χωρητικότητα C είναι ο συντελεστής αναλογικότητας μεταξύ του επιφανειακού φορτίου QK,συσσωρευμένος πυκνωτής και η ηλεκτρική τάση που εφαρμόζεται σε αυτόν

κλώση U(2):

Από τον τύπο (2) προκύπτει ότι το ηλεκτρικό φορτίο QK,που συσσωρεύεται από τον πυκνωτή είναι ανάλογο της τιμής ε διηλεκτρικός. Γνωρίζων QKτις γεωμετρικές διαστάσεις του πυκνωτή, μπορείτε να προσδιορίσετε ε διηλεκτρικό υλικό για δεδομένη τάση.

Εξετάστε τον μηχανισμό σχηματισμού φορτίου QKστα ηλεκτρόδια ενός πυκνωτή με διηλεκτρικό και ποια στοιχεία συνθέτουν αυτό το φορτίο. Για να γίνει αυτό, παίρνουμε δύο επίπεδους πυκνωτές των ίδιων γεωμετρικών διαστάσεων: ο ένας με κενό, ο άλλος με χώρο μεταξύ ηλεκτροδίων γεμάτο με διηλεκτρικό και εφαρμόζουμε την ίδια τάση σε αυτούς U(Εικ. 1). Ένα φορτίο σχηματίζεται στα ηλεκτρόδια του πρώτου πυκνωτή Q0, στα ηλεκτρόδια του δεύτερου - QK. Με τη σειρά του, φορτίστε QKείναι το άθροισμα των χρεώσεων Q0και Q(3):

Χρέωση QΤο 0 σχηματίζεται από ένα εξωτερικό πεδίο Ε0 με τη συσσώρευση εξωτερικών φορτίων στα ηλεκτρόδια του πυκνωτή με επιφανειακή πυκνότητα σ 0 . Q- αυτό είναι ένα πρόσθετο φορτίο στα ηλεκτρόδια του πυκνωτή, που δημιουργείται από μια πηγή ηλεκτρικής τάσης για να αντισταθμίσει τα δεσμευμένα φορτία που σχηματίζονται στην επιφάνεια του διηλεκτρικού.

Σε ένα ομοιόμορφα πολωμένο διηλεκτρικό, το φορτίο Qαντιστοιχεί στην επιφανειακή πυκνότητα των δεσμευμένων φορτίων σ. Το φορτίο σ σχηματίζει ένα πεδίο E sz, που κατευθύνεται απέναντι από το πεδίο E O.

Η διαπερατότητα του εξεταζόμενου διηλεκτρικού μπορεί να αναπαρασταθεί ως ο λόγος φορτίου QKένας πυκνωτής γεμάτος με διηλεκτρικό για φόρτιση Q0ο ίδιος πυκνωτής με κενό (3):

Από τον τύπο (3) προκύπτει ότι η διαπερατότητα ε - η τιμή είναι αδιάστατη και για οποιοδήποτε διηλεκτρικό είναι μεγαλύτερη από τη μονάδα. σε περίπτωση κενού ε = 1. Από το εξεταζόμενο παράδειγμα, επίσης

μπορεί να φανεί ότι η πυκνότητα φορτίου στα ηλεκτρόδια ενός πυκνωτή με διηλεκτρικό μέσα ε φορές μεγαλύτερη από την πυκνότητα φορτίου στα ηλεκτρόδια του πυκνωτή με κενό και την ένταση στην ίδια τάση και για τα δύο

οι πυκνωτές τους είναι ίδιοι και εξαρτώνται μόνο από το μέγεθος της τάσης Uκαι την απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων (E = U/h).

Εκτός από τη σχετική διαπερατότητα ε διακρίνω απόλυτη επιτρεπτότητα ε α, ΦΜ 4)

που δεν έχει φυσική σημασία και χρησιμοποιείται στην ηλεκτροτεχνία.

Η σχετική μεταβολή της διαπερατότητας εr με αύξηση της θερμοκρασίας κατά 1 Κ ονομάζεται συντελεστής θερμοκρασίας της διαπερατότητας.

TKε = 1/ εr d εr/dT K-1 Για αέρα στους 20°C TK εr = -2,10-6K-

Η ηλεκτρική γήρανση στα σιδηροηλεκτρικά εκφράζεται ως μείωση του εr με το χρόνο. Ο λόγος είναι μια αναδιάταξη των τομέων.

Μια ιδιαίτερα απότομη αλλαγή στη διαπερατότητα με το χρόνο παρατηρείται σε θερμοκρασίες κοντά στο σημείο Κιουρί. Η θέρμανση του σιδηροηλεκτρικού σε θερμοκρασία πάνω από το σημείο Κιουρί και η επακόλουθη ψύξη επιστρέφει εr στην προηγούμενη τιμή του. Η ίδια αποκατάσταση της διηλεκτρικής διαπερατότητας μπορεί να πραγματοποιηθεί με την έκθεση του σιδηροηλεκτρικού σε ένα ηλεκτρικό πεδίο αυξημένης έντασης.

Για σύνθετα διηλεκτρικά - ένα μηχανικό μείγμα δύο συστατικών με διαφορετικό εr στην πρώτη προσέγγιση: εrx = θ1 εr1x θ εr2x, όπου θ είναι η ογκομετρική συγκέντρωση των συστατικών του μείγματος, εr είναι η σχετική διαπερατότητα του συστατικού μείγματος.

Η διηλεκτρική πόλωση μπορεί να προκληθεί από: μηχανικά φορτία (πιεζοπόλωση στα πιεζοηλεκτρικά); θέρμανση (πυροπόλωση στα πυροηλεκτρικά) φως (φωτοπόλωση).

Η πολωμένη κατάσταση ενός διηλεκτρικού σε ένα ηλεκτρικό πεδίο Ε χαρακτηρίζεται από μια ηλεκτρική ροπή ανά μονάδα όγκου, πόλωση Р, C/m2, η οποία σχετίζεται με τη σχετική διαπερατότητά του π.χ.: Р = e0 (π.χ. - 1)Ε, όπου e0 = 8,85∙10-12 F / m. Το γινόμενο e0∙eg =e, F/m, ονομάζεται απόλυτη διαπερατότητα. Στα αέρια διηλεκτρικά πχ διαφέρει ελάχιστα από 1,0, σε μη πολικά υγρά και στερεά φτάνει το 1,5 - 3,0, στα πολικά έχει μεγάλες τιμές. σε ιονικούς κρυστάλλους π.χ. - 5-MO, και σε αυτούς με κρυσταλλικό πλέγμα περοβσκίτη φτάνει τα 200. στα σιδηροηλεκτρικά π.χ. - 103 και άνω.

Στα μη πολικά διηλεκτρικά, π.χ. μειώνεται ελαφρώς με την αύξηση της θερμοκρασίας, στις πολικές αλλαγές συνδέονται με την επικράτηση ενός ή άλλου τύπου πόλωσης, σε ιονικούς κρυστάλλους αυξάνεται, σε ορισμένα σιδηροηλεκτρικά σε θερμοκρασία Κιουρί φτάνει τους 104 και περισσότερο. Οι αλλαγές θερμοκρασίας π.χ. χαρακτηρίζονται από έναν συντελεστή θερμοκρασίας. Για τα πολικά διηλεκτρικά, ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα είναι η μείωση π.χ. στην περιοχή συχνοτήτων, όπου ο χρόνος t για την πόλωση είναι ανάλογος με το T/2.

Παρόμοιες πληροφορίες.

Το επίπεδο πόλωσης μιας ουσίας χαρακτηρίζεται από μια ειδική τιμή, η οποία ονομάζεται διηλεκτρική σταθερά. Ας εξετάσουμε ποια είναι αυτή η τιμή.

Ας υποθέσουμε ότι η ένταση ενός ομοιόμορφου πεδίου μεταξύ δύο φορτισμένων πλακών στο κενό είναι ίση με E0. Τώρα ας γεμίσουμε το κενό μεταξύ τους με οποιοδήποτε διηλεκτρικό. που εμφανίζονται στο όριο μεταξύ του διηλεκτρικού και του αγωγού λόγω της πόλωσής του, εξουδετερώνουν εν μέρει την επίδραση των φορτίων στις πλάκες. Η ένταση Ε αυτού του πεδίου θα γίνει μικρότερη από την ένταση E₀.

Η εμπειρία αποκαλύπτει ότι όταν το κενό μεταξύ των πλακών γεμίσει διαδοχικά με ίσα διηλεκτρικά, το μέγεθος της έντασης του πεδίου θα είναι διαφορετικό. Επομένως, γνωρίζοντας την τιμή του λόγου της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου μεταξύ των πλακών απουσία του διηλεκτρικού Ε0 και παρουσία του διηλεκτρικού Ε, μπορεί κανείς να προσδιορίσει την πολωσιμότητα του, δηλ. τη διηλεκτρική σταθερά του. Αυτή η τιμή συνήθως υποδηλώνεται με το ελληνικό γράμμα ⁇ (έψιλον). Επομένως, μπορεί κανείς να γράψει:

Η διηλεκτρική διαπερατότητα δείχνει πόσες φορές αυτά τα φορτία σε ένα διηλεκτρικό (ομογενές) θα είναι λιγότερα από ό,τι στο κενό.

Η μείωση της δύναμης αλληλεπίδρασης μεταξύ των φορτίων προκαλείται από τις διαδικασίες πόλωσης του μέσου. Σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια στα άτομα και τα μόρια μειώνονται σε σχέση με τα ιόντα και η T.e. εκείνα τα μόρια που έχουν τη δική τους διπολική ροπή (ιδιαίτερα, τα μόρια του νερού) προσανατολίζονται στο ηλεκτρικό πεδίο. Αυτές οι στιγμές δημιουργούν το δικό τους ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο αντιτίθεται στο πεδίο που τις έκανε να εμφανιστούν. Ως αποτέλεσμα, το συνολικό ηλεκτρικό πεδίο μειώνεται. Σε μικρά πεδία, αυτό το φαινόμενο περιγράφεται χρησιμοποιώντας την έννοια της διαπερατότητας.

Παρακάτω είναι η διαπερατότητα στο κενό διαφόρων ουσιών:

Αέρας…………………………………….1.0006

Παραφίνη………………………………….2

Πλεξιγκλάς (πλεξιγκλάς)……3-4

Εβονίτης……………………………..…4

Πορσελάνη……………………………….7

Ποτήρι………………………………….4-7

Μίκα……………………………..….4-5

Μετάξι φυσικό ........... 4-5

Σχιστόλιθος..............................6-7

Κεχριμπάρι…………………………………12.8

Νερό………………………………….81

Αυτές οι τιμές της διηλεκτρικής σταθεράς των ουσιών αναφέρονται σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος στην περιοχή από 18–20 °C. Έτσι, η διαπερατότητα των στερεών ποικίλλει ελαφρώς ανάλογα με τη θερμοκρασία, με εξαίρεση τα σιδηροηλεκτρικά.

Αντίθετα στα αέρια μειώνεται λόγω αύξησης της θερμοκρασίας και αυξάνεται λόγω αύξησης της πίεσης. Στην πράξη, λαμβάνεται ως μονάδα.

Οι προσμίξεις σε μικρές ποσότητες έχουν μικρή επίδραση στο επίπεδο της διηλεκτρικής σταθεράς των υγρών.

Εάν δύο αυθαίρετα σημειακά φορτία τοποθετηθούν σε ένα διηλεκτρικό, τότε η ένταση πεδίου που δημιουργείται από καθένα από αυτά τα φορτία στη θέση του άλλου φορτίου μειώνεται κατά ~ φορές. Από αυτό προκύπτει ότι η δύναμη με την οποία αυτά τα φορτία αλληλεπιδρούν μεταξύ τους είναι επίσης ~ φορές μικρότερη. Επομένως, για φορτία που τοποθετούνται σε ένα διηλεκτρικό, εκφράζεται με τον τύπο:

F = (q1q2)/(4π ⁇ 2r²),

όπου F είναι η δύναμη αλληλεπίδρασης, q1 και q2, είναι τα μεγέθη των φορτίων, ԑ είναι η απόλυτη διαπερατότητα του μέσου, r είναι η απόσταση μεταξύ των σημειακών φορτίων.

Η τιμή του ԑ μπορεί να παρουσιαστεί αριθμητικά σε σχετικές μονάδες (σε σχέση με την τιμή της απόλυτης διαπερατότητας του κενού ԑ₀). Η τιμή ԑ = ԑₐ/ ⁇ ₀ ονομάζεται σχετική διαπερατότητα. Αποκαλύπτει πόσες φορές η αλληλεπίδραση μεταξύ φορτίων σε ένα άπειρο ομοιογενές μέσο είναι ασθενέστερη από ό,τι στο κενό. ԑ = ԑₐ/ ⁇ ₀ ονομάζεται συχνά σύνθετη διαπερατότητα. Η αριθμητική τιμή της ποσότητας ԑ₀, καθώς και η διάστασή της, εξαρτώνται από το σύστημα μονάδων που επιλέγεται. και η τιμή του ԑ δεν εξαρτάται. Έτσι, στο σύστημα CGSE ԑ₀ = 1 (αυτή είναι η τέταρτη βασική μονάδα). στο σύστημα SI, η διαπερατότητα κενού εκφράζεται ως:

ԑ₀ = 1/(4π˖9˖10⁹) φαράντ/μέτρο = 8,85˖10-1² f/m (σε αυτό το σύστημα, το ⁇ ₀ είναι μια παράγωγη τιμή).

Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή εξαρτάται, όπως δείχνει η εμπειρία, όχι μόνο από το μέγεθος, το σχήμα και τη σχετική θέση των αγωγών που τον αποτελούν, αλλά και από τις ιδιότητες του διηλεκτρικού που γεμίζει το χώρο μεταξύ αυτών των αγωγών. Η επίδραση του διηλεκτρικού μπορεί να διαπιστωθεί χρησιμοποιώντας το ακόλουθο πείραμα. Φορτίζουμε έναν επίπεδο πυκνωτή και σημειώνουμε τις ενδείξεις ενός ηλεκτρομέτρου που μετρά την τάση στον πυκνωτή. Ας μετακινήσουμε τότε μια αφόρτιστη πλάκα εβονίτη στον πυκνωτή (Εικ. 63). Θα δούμε ότι η διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών θα μειωθεί αισθητά. Εάν αφαιρέσετε τον εβονίτη, τότε οι ενδείξεις του ηλεκτρομέτρου γίνονται ίδιες. Αυτό δείχνει ότι όταν ο αέρας αντικαθίσταται από εβονίτη, η χωρητικότητα του πυκνωτή αυξάνεται. Παίρνοντας κάποιο άλλο διηλεκτρικό αντί για εβονίτη, θα έχουμε ένα παρόμοιο αποτέλεσμα, αλλά μόνο η αλλαγή στην χωρητικότητα του πυκνωτή θα είναι διαφορετική. Εάν - η χωρητικότητα του πυκνωτή, μεταξύ των πλακών του οποίου υπάρχει κενό, και - η χωρητικότητα του ίδιου πυκνωτή, όταν ολόκληρος ο χώρος μεταξύ των πλακών είναι γεμάτος, χωρίς κενά αέρα, με κάποιο είδος διηλεκτρικού, τότε η χωρητικότητα θα είναι φορές μεγαλύτερη από την χωρητικότητα, όπου εξαρτάται μόνο από τη φύση του διηλεκτρικού. Έτσι, μπορεί κανείς να γράψει

Ρύζι. 63. Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή αυξάνεται όταν μια πλάκα εβονίτη ωθείται μεταξύ των πλακών της. Τα φύλλα του ηλεκτρομέτρου πέφτουν, αν και η φόρτιση παραμένει ίδια

Η τιμή ονομάζεται σχετική διηλεκτρική σταθερά ή απλά η διηλεκτρική σταθερά του μέσου που γεμίζει το χώρο μεταξύ των πλακών πυκνωτών. Στον πίνακα. 1 δείχνει τις τιμές της διαπερατότητας ορισμένων ουσιών.

Πίνακας 1. Διηλεκτρική σταθερά ορισμένων ουσιών

Ουσία
Νερό (καθαρό)


Κεραμική (ραδιομηχανική)

Τα παραπάνω ισχύουν όχι μόνο για έναν επίπεδο πυκνωτή, αλλά και για έναν πυκνωτή οποιουδήποτε σχήματος: αντικαθιστώντας τον αέρα με κάποιο είδος διηλεκτρικού, αυξάνουμε την χωρητικότητα του πυκνωτή κατά 1.

Αυστηρά μιλώντας, η χωρητικότητα ενός πυκνωτή αυξάνεται κατά συντελεστή μόνο εάν όλες οι γραμμές πεδίου που πηγαίνουν από τη μια πλάκα στην άλλη περνούν μέσα από το δεδομένο διηλεκτρικό. Αυτός θα είναι, για παράδειγμα, ένας πυκνωτής που είναι πλήρως βυθισμένος σε κάποιο είδος υγρού διηλεκτρικού, χύνεται σε ένα μεγάλο δοχείο. Ωστόσο, εάν η απόσταση μεταξύ των πλακών είναι μικρή σε σύγκριση με τις διαστάσεις τους, τότε μπορεί να θεωρηθεί ότι αρκεί να γεμίσει μόνο ο χώρος μεταξύ των πλακών, καθώς εδώ είναι πρακτικά συγκεντρωμένο το ηλεκτρικό πεδίο του πυκνωτή. Έτσι, για έναν επίπεδο πυκνωτή, αρκεί να γεμίσετε μόνο το χώρο μεταξύ των πλακών με ένα διηλεκτρικό.

Τοποθετώντας μια ουσία με υψηλή διηλεκτρική σταθερά μεταξύ των πλακών, η χωρητικότητα του πυκνωτή μπορεί να αυξηθεί πολύ. Αυτό χρησιμοποιείται στην πράξη, και συνήθως όχι ο αέρας, αλλά το γυαλί, η παραφίνη, η μαρμαρυγία και άλλες ουσίες επιλέγονται ως διηλεκτρικό για έναν πυκνωτή. Στο σχ. Το σχήμα 64 δείχνει έναν τεχνικό πυκνωτή, στον οποίο μια χαρτοταινία εμποτισμένη με παραφίνη χρησιμεύει ως διηλεκτρικό. Οι όψεις του είναι χαλύβδινα φύλλα πιεσμένα και στις δύο πλευρές σε κερωμένο χαρτί. Η χωρητικότητα τέτοιων πυκνωτών συχνά φτάνει σε αρκετά μικροφαράδες. Έτσι, για παράδειγμα, ένας ραδιοερασιτέχνης πυκνωτής μεγέθους σπιρτόκουτου έχει χωρητικότητα 2 microfarads.

Ρύζι. 64. Τεχνικός επίπεδος πυκνωτής: α) συναρμολογημένος. β) σε μερικώς αποσυναρμολογημένη μορφή: 1 και 1 "- ταινίες πλαισίου, μεταξύ των οποίων τοποθετούνται ταινίες από κερωμένο λεπτό χαρτί 2. Όλες οι ταινίες διπλώνονται μαζί με ένα "ακορντεόν" και τοποθετούνται σε μεταλλικό κουτί. Οι επαφές 3 και 3" είναι συγκολλημένο στα άκρα των ταινιών 1 και 1" για να συμπεριλάβει έναν πυκνωτή στο κύκλωμα

Είναι σαφές ότι μόνο διηλεκτρικά με πολύ καλές μονωτικές ιδιότητες είναι κατάλληλα για την κατασκευή ενός πυκνωτή. Διαφορετικά, τα φορτία θα ρέουν μέσω του διηλεκτρικού. Επομένως, το νερό, παρά την υψηλή διηλεκτρική του σταθερά, δεν είναι καθόλου κατάλληλο για την κατασκευή πυκνωτών, επειδή μόνο το εξαιρετικά προσεκτικά καθαρισμένο νερό είναι ένα επαρκώς καλό διηλεκτρικό.

Εάν ο χώρος μεταξύ των πλακών ενός επίπεδου πυκνωτή είναι γεμάτος με ένα μέσο με διηλεκτρική σταθερά, τότε ο τύπος (34.1) για έναν επίπεδο πυκνωτή έχει τη μορφή

Το γεγονός ότι η χωρητικότητα ενός πυκνωτή εξαρτάται από το περιβάλλον δείχνει ότι το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στα διηλεκτρικά αλλάζει. Είδαμε ότι όταν ένας πυκνωτής γεμίζει με ένα διηλεκτρικό με διαπερατότητα, η χωρητικότητα αυξάνεται κατά ένα συντελεστή . Αυτό σημαίνει ότι με τα ίδια φορτία στις πλάκες, η διαφορά δυναμικού μεταξύ τους μειώνεται κατά έναν παράγοντα. Όμως η διαφορά δυναμικού και η ένταση του πεδίου συνδέονται μεταξύ τους με τη σχέση (30.1). Επομένως, μια μείωση της διαφοράς δυναμικού σημαίνει ότι η ένταση του πεδίου στον πυκνωτή όταν είναι γεμάτος με ένα διηλεκτρικό γίνεται μικρότερη κατά έναν παράγοντα. Αυτός είναι ο λόγος για την αύξηση της χωρητικότητας του πυκνωτή. φορές λιγότερο από ό,τι στο κενό. Επομένως συμπεραίνουμε ότι ο νόμος του Coulomb (10.1) για σημειακά φορτία που τοποθετούνται σε ένα διηλεκτρικό έχει τη μορφή

Ηλεκτρική Διαπερατότητα

Η ηλεκτρική διαπερατότητα είναι μια τιμή που χαρακτηρίζει την χωρητικότητα ενός διηλεκτρικού που τοποθετείται μεταξύ των πλακών ενός πυκνωτή. Όπως γνωρίζετε, η χωρητικότητα ενός επίπεδου πυκνωτή εξαρτάται από το μέγεθος της επιφάνειας των πλακών (όσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή των πλακών, τόσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα), η απόσταση μεταξύ των πλακών ή το πάχος του διηλεκτρικού (όσο πιο παχύ είναι το διηλεκτρικό τόσο μικρότερη είναι η χωρητικότητα), καθώς και στο υλικό του διηλεκτρικού, χαρακτηριστικό του οποίου είναι η ηλεκτρική διαπερατότητα.

Αριθμητικά, η ηλεκτρική διαπερατότητα είναι ίση με την αναλογία της χωρητικότητας του πυκνωτή προς οποιοδήποτε διηλεκτρικό του ίδιου πυκνωτή αέρα. Για τη δημιουργία συμπαγών πυκνωτών, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν διηλεκτρικά με υψηλή ηλεκτρική διαπερατότητα. Η ηλεκτρική διαπερατότητα των περισσότερων διηλεκτρικών είναι αρκετές μονάδες.

Στην τεχνολογία, έχουν ληφθεί διηλεκτρικά με υψηλή και εξαιρετικά υψηλή ηλεκτρική διαπερατότητα. Το κύριο μέρος τους είναι το ρουτίλιο (διοξείδιο του τιτανίου).

Εικόνα 1. Ηλεκτρική διαπερατότητα του μέσου

Διηλεκτρική γωνία απώλειας

Στο άρθρο «Διηλεκτρικά» αναλύσαμε παραδείγματα ένταξης διηλεκτρικού σε κυκλώματα συνεχούς και εναλλασσόμενου ρεύματος. Αποδείχθηκε ότι ένα πραγματικό διηλεκτρικό, όταν λειτουργεί σε ένα ηλεκτρικό πεδίο που σχηματίζεται από μια εναλλασσόμενη τάση, απελευθερώνει θερμική ενέργεια. Η ισχύς που απορροφάται σε αυτή την περίπτωση ονομάζεται διηλεκτρικές απώλειες.Στο άρθρο "Ένα κύκλωμα AC που περιέχει χωρητικότητα", θα αποδειχθεί ότι σε ένα ιδανικό διηλεκτρικό, το χωρητικό ρεύμα οδηγεί την τάση κατά γωνία μικρότερη από 90 °. Σε ένα πραγματικό διηλεκτρικό, το χωρητικό ρεύμα οδηγεί την τάση κατά γωνία μικρότερη από 90°. Η μείωση της γωνίας επηρεάζεται από το ρεύμα διαρροής, που αλλιώς ονομάζεται ρεύμα αγωγιμότητας.

Η διαφορά μεταξύ των 90° και της γωνίας μετατόπισης μεταξύ τάσης και ρεύματος που ρέει σε ένα κύκλωμα με πραγματικό διηλεκτρικό ονομάζεται γωνία διηλεκτρικής απώλειας ή γωνία απώλειας και συμβολίζεται με δ (τρίγωνο). Τις περισσότερες φορές, δεν καθορίζεται η ίδια η γωνία, αλλά η εφαπτομένη αυτής της γωνίας -tg δ.

Έχει διαπιστωθεί ότι οι διηλεκτρικές απώλειες είναι ανάλογες με το τετράγωνο της τάσης, της συχνότητας AC, της χωρητικότητας του πυκνωτή και της εφαπτομένης της διηλεκτρικής απώλειας.

Επομένως, όσο μεγαλύτερη είναι η εφαπτομένη της διηλεκτρικής απώλειας, tan δ, τόσο μεγαλύτερη είναι η απώλεια ενέργειας στο διηλεκτρικό, τόσο χειρότερο είναι το διηλεκτρικό υλικό. Τα υλικά με σχετικά μεγάλο tg δ (της τάξης του 0,08 - 0,1 ή περισσότερο) είναι φτωχοί μονωτές. Υλικά με σχετικά μικρό tg δ (της τάξης του 0,0001) είναι καλοί μονωτές.