ไม่สามารถอนุญาตสัมพัทธ์ได้ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกแสดงลักษณะเชิงปริมาณของกระบวนการโพลาไรซ์

การอนุญาติอิเล็กทริก (หรือการอนุญาติสัมพัทธ์) ε คืออัตราส่วนของการอนุญาติให้สมบูรณ์ของสาร ε a ต่อค่าคงที่ทางไฟฟ้า ε o

ค่าการยอมให้สัมพัทธ์ของวัสดุฉนวนไฟฟ้าสามารถคำนวณได้โดยการเปรียบเทียบความจุของตัวเก็บประจุสองตัวที่มีรูปร่างเหมือนกันและขนาดเรขาคณิต:

โดยที่ C x คือความจุของตัวเก็บประจุที่มีไดอิเล็กตริกที่ทดสอบ

C o - ความจุของตัวเก็บประจุที่มีมิติทางเรขาคณิตเหมือนกัน แต่ในกรณีที่อิเล็กทริกที่ทดสอบถูกแทนที่ด้วยสุญญากาศ

ค่า ε ของไดอิเล็กตริกภายใต้การศึกษาสามารถกำหนดได้โดยการวัดความจุของตัวเก็บประจุแบบยุบได้สองครั้ง: เมื่อมีไดอิเล็กตริกที่กำหนดระหว่างเพลต (C x) และเมื่อมีอากาศอยู่ระหว่างพวกมัน (C o) การเปลี่ยนสูญญากาศด้วยอากาศทำให้เกิดข้อผิดพลาดเล็กน้อย (ร้อยเปอร์เซ็นต์)

โพลาไรเซชันของสารก๊าซเนื่องจากระยะห่างระหว่างโมเลกุลมากนั้นเล็กน้อย และการอนุญาติให้อยู่ในสถานะใกล้เคียงกับความเป็นน้ำหนึ่งใจเดียวกัน สภาพยอมให้ก๊าซเป็นสัดส่วนกับความดันและแปรผกผันกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ เนื่องจากถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงในจำนวนโมเลกุลต่อหน่วยปริมาตร อย่างไรก็ตามการพึ่งพาอาศัยกันนี้แสดงออกอย่างอ่อน

ไดอิเล็กทริกเหลวสามารถสร้างขึ้นจากโมเลกุลที่เป็นกลาง (ไม่มีขั้ว) ที่มีโพลาไรซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น เช่นเดียวกับจากโมเลกุลไดโพล (ขั้ว) ซึ่งโพลาไรเซชันจะถูกกำหนดพร้อมกันโดยส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และไดโพล

ของเหลวมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกมากกว่า ค่าโมเมนต์ไฟฟ้าของไดโพลจะมากขึ้น และจำนวนโมเลกุลต่อหน่วยปริมาตรก็จะยิ่งมากขึ้น การอนุญาติของของเหลวที่เป็นกลางมักจะไม่เกิน 2.5 ของเหลวที่มีขั้วสูงซึ่งมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูงมาก เช่น น้ำ เอทิลแอลกอฮอล์ ไม่พบการใช้งานจริงในฐานะไดอิเล็กตริกเนื่องจากมีการนำไฟฟ้าสูง การยอมให้ของเหลวเป็นกลางเป็นสัดส่วนผกผันกับอุณหภูมิ เนื่องจากเมื่อของเหลวเพิ่มขึ้นอย่างหลัง จำนวนของโมเลกุลต่อปริมาตรหน่วยจะลดลง

การพึ่งพาอุณหภูมิของการอนุญาติของของเหลวไดโพลนั้นซับซ้อนกว่า

ที่อุณหภูมิต่ำ การยอมให้เกิดขึ้นในลักษณะอิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น ไดโพลยังไม่สามารถหมุนได้ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความหนืดของของเหลวจะลดลงและไดโพลจะเริ่มปรับทิศทางตัวเองในสนามไฟฟ้า ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มค่าการยอมให้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นอีก พลังงานจลน์ที่เพิ่มขึ้นของการเคลื่อนที่แบบโกลาหลของไดโพลจะรบกวนการปฐมนิเทศ ดังนั้นค่าคงที่ไดอิเล็กตริกจึงค่อยๆ ลดลง (รูปที่ 12.2)

ข้าว. 12.2- การพึ่งพาค่าคงที่ไดอิเล็กตริกกับอุณหภูมิ

ความเปราะบางของของเหลวไดโพลขึ้นอยู่กับความถี่ของกระแส ที่ความถี่ต่ำ ไดโพลมีเวลาติดตามการเปลี่ยนแปลงในสนาม และค่าของการอนุญาติให้มีค่าใกล้เคียงกับค่าของการอนุญาติให้อยู่ในกระแสตรง เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น โมเลกุลจะไม่มีเวลาติดตามการเปลี่ยนแปลงในสนาม และการยอมให้เกิดขึ้นก็เริ่มลดลง ที่ความถี่สูง ค่าของมันเข้าใกล้ค่าเนื่องจากการโพลาไรซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น (รูปที่ 12.3)

ข้าว. 12.3- การพึ่งพาการอนุญาตตามความถี่

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของของเหลวขั้วโลกจะเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับของเหลวที่เป็นกลาง ตัวอย่างเช่นสำหรับ sovtol ค่าของมันคือ 3.2 สำหรับน้ำมันละหุ่ง - 4.5

ความเปราะบางของของแข็งสามารถรับค่าได้หลากหลายตามลักษณะโครงสร้างของไดอิเล็กทริกที่เป็นของแข็ง ค่าต่ำสุดของการอนุญาติอิเล็กทริกมีไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็งที่สร้างขึ้นจากโมเลกุลที่เป็นกลางและมีโพลาไรซ์ทางอิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น ประเภทนี้รวมถึงพาราฟินที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเท่ากับ 1.9 ... 2.2 การพึ่งพาอุณหภูมิของการอนุญาติของไดอิเล็กทริกที่เป็นของแข็งที่เป็นกลางนั้นคล้ายคลึงกับของของเหลวที่เป็นกลาง ในไดอิเล็กทริกที่เป็นของแข็ง ซึ่งเป็นผลึกไอออนิกที่มีอนุภาคอัดแน่นและมีโพลาไรซ์แบบอิเล็กทรอนิกส์และไอออนิก ค่าของการอนุญาติให้เปลี่ยนแปลงได้หลากหลายมาก เมื่ออุณหภูมิของไดอิเล็กทริกเพิ่มขึ้น การอนุญาติของพวกมันจะเพิ่มขึ้นเกือบเป็นเส้นตรงเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของความสามารถในการโพลาไรซ์ของไอออน แม้ว่าความหนาแน่นของสารจะลดลงก็ตาม

ไดอิเล็กทริกไดโพลที่เป็นของแข็งของโครงสร้างอสัณฐานและผลึกและไดอิเล็กทริกอสัณฐานไอออนิก รวมถึงโพลีเมอร์ที่มีขั้ว (เบเคไลต์ ครั่ง เพล็กซิกลาส อีโบไนต์ โพลีไวนิลคลอไรด์ ฯลฯ ) เซลลูโลสและผลิตภัณฑ์จากการแปรรูป (กาโลแวกซ์ แก้วอนินทรีย์) มีลักษณะเฉพาะ ของโพลาไรซ์แบบอิเล็กทรอนิกส์ ไอออนิก และโครงสร้าง และแบ่งออกเป็นสองกลุ่มย่อย:

อิเล็กทริกอสัณฐานอิเล็กทริก (แก้วอนินทรีย์) โพลาไรซ์เชิงโครงสร้างซึ่งประกอบด้วยการถ่ายโอนไอออนโดยการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนภายในเซลล์ปิดซึ่งกำกับโดยสนามไฟฟ้า ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของแก้วอยู่ในช่วง 4 ถึง 20;

ของแข็งอสัณฐานและผลึกไดโพลซึ่งพบโพลาไรเซชันไดโพลในสถานะของแข็ง คล้ายกับโพลาไรเซชันของของเหลวไดโพล แต่มีเวลาในการผ่อนคลายต่างกันโดยสิ้นเชิง การอนุญาติไดอิเล็กตริกของวัสดุของกลุ่มย่อยที่สองขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในระดับมาก โดยเป็นไปตามกฎหมายเดียวกันกับที่พบในไดโพลไดอิเล็กตริก

ความจุของวัสดุขึ้นอยู่กับค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ดังนั้น ตัวอย่างเช่น การอนุญาติที่สูงมากของไดอิเล็กทริกเซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริกจึงถูกใช้ในตัวเก็บประจุขนาดเล็ก เป็นที่น่าสนใจที่จะสังเกตว่าค่าความเป็นฉนวนของไดอิเล็กตริกของเฟอร์โรไดอิเล็กทริกนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับความแรงของสนามด้วยในขณะที่มีการสังเกตปรากฏการณ์ของอิเล็กทริกฮิสเทรีซิสของเฟอร์โรไดอิเล็กทริก

บรรยาย #19

1. ลักษณะของการนำไฟฟ้าของไดอิเล็กตริกที่เป็นก๊าซ ของเหลว และของแข็ง

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก

การอนุญาตสัมพัทธ์หรือ การยอมจำนน εเป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าที่สำคัญที่สุดของไดอิเล็กทริก ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกε ลักษณะเชิงปริมาณของความสามารถของไดอิเล็กทริกในการโพลาไรซ์ในสนามไฟฟ้าและยังประเมินระดับของขั้วของมัน ε คือค่าคงที่ของวัสดุไดอิเล็กตริกที่อุณหภูมิและความถี่ที่กำหนดของแรงดันไฟฟ้า และแสดงว่าประจุของตัวเก็บประจุที่มีอิเล็กทริกมากกว่าประจุของตัวเก็บประจุที่มีขนาดเท่ากันกับสุญญากาศเป็นจำนวนเท่าใด

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเป็นตัวกำหนดค่าความจุไฟฟ้าของผลิตภัณฑ์ (ตัวเก็บประจุ ฉนวนสายเคเบิล ฯลฯ) สำหรับความจุตัวเก็บประจุแบบแบน จาก,Фแสดงโดยสูตร (1)

โดยที่ S คือพื้นที่ของอิเล็กโทรดวัด m 2 ; h คือความหนาของไดอิเล็กตริก m สามารถเห็นได้จากสูตร (1) ว่าค่าที่มากกว่า ε อิเล็กทริกที่ใช้ยิ่งความจุของตัวเก็บประจุที่มีขนาดเท่ากัน ในทางกลับกัน ความจุไฟฟ้า C คือสัมประสิทธิ์สัดส่วนระหว่างประจุที่พื้นผิว คิวเคตัวเก็บประจุสะสมและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับมัน

ปั่น ยู(2):

จากสูตร (2) จะได้ว่าประจุไฟฟ้า คิวเคสะสมโดยตัวเก็บประจุเป็นสัดส่วนกับค่า ε อิเล็กทริก ความรู้ QKคุณสามารถกำหนดมิติทางเรขาคณิตของตัวเก็บประจุได้ ε วัสดุอิเล็กทริกสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด

พิจารณากลไกการเกิดประจุ QKบนอิเล็กโทรดของตัวเก็บประจุที่มีไดอิเล็กตริกและส่วนประกอบใดบ้างที่ประกอบเป็นประจุนี้ ในการทำเช่นนี้เราใช้ตัวเก็บประจุแบบแบนสองตัวที่มีมิติทางเรขาคณิตเดียวกัน: ตัวหนึ่งมีสุญญากาศและอีกตัวหนึ่งมีช่องว่างระหว่างอิเล็กโทรดที่เต็มไปด้วยไดอิเล็กทริกและใช้แรงดันไฟฟ้าเดียวกันกับพวกมัน ยู(รูปที่ 1). ประจุจะเกิดขึ้นบนอิเล็กโทรดของตัวเก็บประจุตัวแรก Q0บนอิเล็กโทรดที่สอง - QK. ในทางกลับกันชาร์จ QKคือผลรวมของค่าใช้จ่าย Q0และ Q(3):

ค่าใช้จ่าย Q 0 เกิดขึ้นจากสนามภายนอก E0 โดยการสะสมประจุภายนอกบนอิเล็กโทรดของตัวเก็บประจุที่มีความหนาแน่นของพื้นผิว σ 0 . Q- เป็นประจุเพิ่มเติมบนอิเล็กโทรดของตัวเก็บประจุ ซึ่งสร้างขึ้นโดยแหล่งแรงดันไฟฟ้าเพื่อชดเชยประจุที่ถูกผูกไว้ซึ่งเกิดขึ้นบนพื้นผิวของไดอิเล็กตริก

ในไดอิเล็กทริกแบบโพลาไรซ์ที่สม่ำเสมอ ประจุ Qสอดคล้องกับความหนาแน่นของพื้นผิวของประจุที่ถูกผูกไว้ σ ประจุ σ สร้างสนาม E sz ตรงข้ามกับสนาม E O

การอนุญาติของไดอิเล็กตริกที่พิจารณาสามารถแสดงเป็นอัตราส่วนประจุ QKตัวเก็บประจุที่เต็มไปด้วยไดอิเล็กตริกเพื่อชาร์จ Q0ตัวเก็บประจุเดียวกันกับสุญญากาศ (3):

จากสูตร (3) จะได้ว่าการอนุญาติ ε - ค่าไม่มีมิติและสำหรับไดอิเล็กตริกใด ๆ จะมากกว่าความสามัคคี กรณีสูญญากาศ ε = 1. จากตัวอย่างที่พิจารณาก็เช่นกัน

จะเห็นได้ว่าความหนาแน่นของประจุบนอิเล็กโทรดของตัวเก็บประจุที่มีไดอิเล็กตริกใน ε มากกว่าความหนาแน่นของประจุบนอิเล็กโทรดของตัวเก็บประจุด้วยสุญญากาศ และความเข้มที่แรงดันเท่ากันสำหรับทั้งคู่

ตัวเก็บประจุเหมือนกันและขึ้นอยู่กับขนาดของแรงดันไฟฟ้าเท่านั้น ยูและระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด (E = U/ชม.)

นอกเหนือจากการอนุญาตสัมพัทธ์ ε แยกแยะ การอนุญาตแบบสัมบูรณ์ε a, f/m, (4)

ซึ่งไม่มีความหมายทางกายภาพและใช้ในวิศวกรรมไฟฟ้า

การเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ในการอนุญาติ εr เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 K เรียกว่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของการอนุญาติ

TKε = 1/ εr d εr/dT K-1 สำหรับอากาศที่อุณหภูมิ 20°C TK εr = -2.10-6K-

การเสื่อมสภาพทางไฟฟ้าในเฟอร์โรอิเล็กทริกจะแสดงเป็น εr ที่ลดลงตามเวลา เหตุผลก็คือการจัดเรียงโดเมนใหม่

การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเป็นพิเศษในการยอมจำนนตามเวลาจะสังเกตได้ที่อุณหภูมิใกล้กับจุดคูรี การให้ความร้อนแก่เฟอร์โรอิเล็กทริกจนถึงอุณหภูมิที่สูงกว่าจุด Curie และการระบายความร้อนที่ตามมาจะส่งกลับ εr เป็นค่าก่อนหน้า การคืนค่าการอนุญาติไดอิเล็กทริกแบบเดียวกันสามารถทำได้โดยการเปิดเผยเฟอร์โรอิเล็กทริกไปยังสนามไฟฟ้าที่มีความเข้มเพิ่มขึ้น

สำหรับไดอิเล็กทริกเชิงซ้อน - ส่วนผสมทางกลของส่วนประกอบสองส่วนที่มี εr ต่างกันในการประมาณค่าแรก: εrx = θ1 εr1x θ εr2x โดยที่ θ คือความเข้มข้นเชิงปริมาตรของส่วนประกอบผสม εr คือค่าการยอมให้อนุญาตสัมพัทธ์ของส่วนประกอบผสม

โพลาไรซ์ไดอิเล็กตริกอาจเกิดจาก: โหลดทางกล (piezopolarization ในเพียโซอิเล็กทริก); ความร้อน (pyropolarization ใน pyroelectrics); แสง (photopolarization)

สถานะโพลาไรซ์ของไดอิเล็กทริกในสนามไฟฟ้า E มีลักษณะเป็นโมเมนต์ไฟฟ้าต่อหน่วยปริมาตร โพลาไรเซชัน Р, C/m2 ซึ่งสัมพันธ์กับการอนุญาติของสัมพัทธ์ เช่น Р = e0 (เช่น - 1)Е โดยที่ e0 = 8.85∙10-12 F / m. ผลิตภัณฑ์ e0∙eg =e, F/m เรียกว่า การอนุญาติแบบสัมบูรณ์ ในไดอิเล็กทริกที่เป็นก๊าซ เช่น มีความแตกต่างเพียงเล็กน้อยจาก 1.0 ในของเหลวและของแข็งที่ไม่มีขั้วถึง 1.5 - 3.0 ในขั้วมีค่ามาก ในผลึกไอออนิกเช่น - 5-MO และในผลึกที่มีตาข่ายผลึก perovskite ถึง 200; ในเฟอร์โรอิเล็กทริก เช่น - 103 และอื่นๆ

ในไดอิเล็กทริกแบบไม่มีขั้ว เช่น ลดลงเล็กน้อยตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ในการเปลี่ยนแปลงของขั้วจะสัมพันธ์กับความเด่นของโพลาไรซ์ประเภทหนึ่งหรืออีกประเภทหนึ่ง ในผลึกไอออนิกจะเพิ่มขึ้น ในเฟอร์โรอิเล็กทริกบางตัวที่อุณหภูมิกูรีจะถึง 104 ขึ้นไป การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ เช่น มีลักษณะเป็นค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ สำหรับไดอิเล็กทริกแบบมีขั้ว คุณลักษณะเฉพาะคือลดลง เช่น ในช่วงความถี่ โดยที่เวลา t สำหรับโพลาไรซ์จะเท่ากับ T/2

ข้อมูลที่คล้ายกัน

ระดับของโพลาไรซ์ได้ของสารมีลักษณะเป็นค่าพิเศษซึ่งเรียกว่าค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ลองพิจารณาว่าค่านี้คืออะไร

สมมติว่าความเข้มของสนามสม่ำเสมอระหว่างแผ่นประจุสองแผ่นในสุญญากาศมีค่าเท่ากับ E₀ ทีนี้มาเติมช่องว่างระหว่างพวกมันด้วยอิเล็กทริก ซึ่งปรากฏที่ขอบระหว่างไดอิเล็กตริกและตัวนำเนื่องจากการโพลาไรซ์ ทำให้ผลกระทบของประจุบนเพลตเป็นกลางบางส่วน ความเข้ม E ของสนามนี้จะน้อยกว่าความเข้ม E₀

จากประสบการณ์พบว่าเมื่อช่องว่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกเต็มไปด้วยไดอิเล็กทริกเท่ากัน ขนาดของความแรงของสนามจะแตกต่างกัน ดังนั้นเมื่อทราบค่าอัตราส่วนของความแรงของสนามไฟฟ้าระหว่างเพลตในกรณีที่ไม่มีไดอิเล็กตริก Е₀ และในที่ที่มีไดอิเล็กตริก Е เราสามารถกำหนดโพลาไรซ์ได้เช่น ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของมัน ค่านี้มักใช้แทนด้วยอักษรกรีก ԑ (epsilon) จึงสามารถเขียนได้ว่า

การอนุญาติของไดอิเล็กตริกแสดงให้เห็นว่าประจุเหล่านี้ในไดอิเล็กตริก (ที่เป็นเนื้อเดียวกัน) จะน้อยกว่าในสุญญากาศกี่ครั้ง

การลดลงของแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างประจุเกิดจากกระบวนการโพลาไรซ์ของตัวกลาง ในสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนในอะตอมและโมเลกุลจะลดลงเมื่อเทียบกับไอออน และ T.e. โมเลกุลเหล่านั้นที่มีโมเมนต์ไดโพลของตัวเอง (โดยเฉพาะ โมเลกุลของน้ำ) จะปรับทิศทางตัวเองในสนามไฟฟ้า ช่วงเวลาเหล่านี้สร้างสนามไฟฟ้าของตัวเอง ซึ่งตรงข้ามกับสนามที่ทำให้มันปรากฏขึ้น ส่งผลให้สนามไฟฟ้ารวมลดลง ในพื้นที่ขนาดเล็ก ปรากฏการณ์นี้อธิบายโดยใช้แนวคิดเรื่องการยอมจำนน

ด้านล่างนี้เป็นการอนุญาติให้อยู่ในสุญญากาศของสารต่างๆ:

อากาศ……………………….1,0006

พาราฟิน………………………….2

ลูกแก้ว (ลูกแก้ว)……3-4

Ebonite……………………………..…4

พอร์ซเลน…………………………….7

แก้ว…………………………..…….4-7

ไมกา……………………………..….4-5

ไหมธรรมชาติ ........... 4-5

หินชนวน............................6-7

อำพัน…………………………………12.8

น้ำ…………………………….81

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของสารเหล่านี้หมายถึงอุณหภูมิแวดล้อมในช่วง 18–20 °C ดังนั้น สภาพการยอมของของแข็งจะแปรผันเล็กน้อยตามอุณหภูมิ ยกเว้นเฟอร์โรอิเล็กทริก

ในทางตรงกันข้าม ในก๊าซ จะลดลงเนื่องจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและเพิ่มขึ้นเนื่องจากความดันที่เพิ่มขึ้น ในทางปฏิบัติจะนำมาเป็นหน่วย

สิ่งเจือปนในปริมาณเล็กน้อยมีผลเพียงเล็กน้อยต่อระดับค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของของเหลว

หากประจุแบบจุดสองจุดโดยพลการในไดอิเล็กตริก ความแรงของสนามที่สร้างขึ้นโดยประจุแต่ละประจุเหล่านี้ที่ตำแหน่งของประจุอีกตัวหนึ่งจะลดลง ԑ เท่า จากนี้ไปแรงที่ประจุเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กันก็น้อยกว่า ԑ เท่า ดังนั้นสำหรับประจุที่อยู่ในไดอิเล็กตริกจะแสดงโดยสูตร:

F = (q₁q₂)/(4πԑₐr²),

โดยที่ F คือแรงปฏิสัมพันธ์ q₁ และ q₂ คือขนาดของประจุ ԑ คือการยอมให้ตัวกลางสัมบูรณ์ r คือระยะห่างระหว่างประจุแบบจุด

ค่าของ ԑ สามารถแสดงเป็นตัวเลขในหน่วยสัมพัทธ์ (เทียบกับค่าการยอมให้สัมบูรณ์ของสุญญากาศ ԑ₀) ค่า ԑ = ԑₐ/ԑ₀ เรียกว่าค่าการอนุญาติสัมพันธ์ มันแสดงให้เห็นว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างประจุในตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันอนันต์นั้นอ่อนแอกว่าในสุญญากาศกี่ครั้ง ԑ = ԑₐ/ԑ₀ มักเรียกว่าการอนุญาติให้ซับซ้อน ค่าตัวเลขของปริมาณ ԑ₀ เช่นเดียวกับขนาด ขึ้นอยู่กับระบบของหน่วยที่เลือก และค่าของ ԑ ไม่ได้ขึ้นอยู่กับ ดังนั้นในระบบ CGSE ԑ₀ = 1 (นี่คือหน่วยพื้นฐานที่สี่) ในระบบ SI การยอมให้สุญญากาศแสดงเป็น:

ԑ₀ = 1/(4π˖9˖10⁹) farad/meter = 8.85˖10⁻¹² f/m (ในระบบนี้ ԑ₀ คือปริมาณที่ได้รับ)

ตามประสบการณ์ที่แสดง ความจุของตัวเก็บประจุขึ้นอยู่กับขนาด รูปร่าง และตำแหน่งสัมพัทธ์ของตัวนำที่เป็นส่วนประกอบเท่านั้น แต่ยังรวมถึงคุณสมบัติของอิเล็กทริกที่เติมช่องว่างระหว่างตัวนำเหล่านี้ด้วย อิทธิพลของอิเล็กทริกสามารถสร้างได้โดยใช้การทดลองต่อไปนี้ เราชาร์จตัวเก็บประจุแบบแบนและสังเกตการอ่านค่าอิเล็กโตรมิเตอร์ที่วัดแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเก็บประจุ ให้เราย้ายเพลท ebonite ที่ไม่มีประจุเข้าไปในตัวเก็บประจุ (รูปที่ 63) เราจะเห็นว่าความต่างศักย์ระหว่างแผ่นเปลือกโลกจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด หากคุณถอดอีโบไนต์ การอ่านค่าอิเล็กโตรมิเตอร์จะเหมือนกัน นี่แสดงให้เห็นว่าเมื่ออากาศถูกแทนที่ด้วยอีโบไนต์ ความจุของตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้น การใช้อิเล็กทริกอื่นแทนอีโบไนต์เราจะได้ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกัน แต่การเปลี่ยนแปลงความจุของตัวเก็บประจุเท่านั้นที่จะแตกต่างกัน ถ้า - ความจุของตัวเก็บประจุระหว่างแผ่นที่มีสูญญากาศและ - ความจุของตัวเก็บประจุเดียวกันเมื่อเติมช่องว่างทั้งหมดระหว่างแผ่นเปลือกโลกโดยไม่มีช่องว่างอากาศด้วยอิเล็กทริกบางชนิดความจุ จะมากกว่าความจุเป็นเท่าซึ่งขึ้นอยู่กับลักษณะของไดอิเล็กตริกเท่านั้น ดังนั้น เราสามารถเขียน

ข้าว. 63. ความจุของตัวเก็บประจุเพิ่มขึ้นเมื่อแผ่นอีโบไนต์ถูกผลักระหว่างเพลต แผ่นอิเล็กโทรมิเตอร์หลุดออกแม้ว่าประจุจะยังคงเหมือนเดิม

ค่านี้เรียกว่าค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสัมพัทธ์หรือเพียงแค่ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของตัวกลางที่เติมช่องว่างระหว่างเพลตตัวเก็บประจุ ในตาราง. 1 แสดงค่าความอนุญาติของสารบางชนิด

ตารางที่ 1. ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของสารบางชนิด

สาร
น้ำ (สะอาด)
เซรามิกส์ (วิศวกรรมวิทยุ)

ข้างต้นเป็นความจริง ไม่เพียงแต่สำหรับตัวเก็บประจุแบบแบนเท่านั้น แต่สำหรับตัวเก็บประจุที่มีรูปร่างใดๆ ด้วย: โดยการแทนที่อากาศด้วยไดอิเล็กตริกบางชนิด เราจะเพิ่มความจุของตัวเก็บประจุขึ้นเป็น 1 เท่า

พูดอย่างเคร่งครัด ความจุของตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้นโดยปัจจัยหนึ่งก็ต่อเมื่อเส้นสนามทั้งหมดที่ไปจากจานหนึ่งไปยังอีกจานหนึ่งผ่านไดอิเล็กตริกที่กำหนด ตัวอย่างเช่น ตัวเก็บประจุที่แช่อยู่ในไดอิเล็กตริกเหลวบางชนิด เทลงในภาชนะขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม หากระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับขนาดของพวกมัน ก็ถือได้ว่าเพียงพอแล้วที่จะเติมเฉพาะช่องว่างระหว่างแผ่นเปลือกโลก เนื่องจากที่นี่เป็นที่ที่สนามไฟฟ้าของตัวเก็บประจุมีความเข้มข้นในทางปฏิบัติ ดังนั้นสำหรับตัวเก็บประจุแบบแบนก็เพียงพอที่จะเติมเฉพาะช่องว่างระหว่างเพลตด้วยอิเล็กทริก

โดยการวางสารที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูงระหว่างแผ่นเปลือกโลก ความจุของตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก นี้ใช้ในทางปฏิบัติและมักจะไม่ใช่อากาศ แต่แก้วพาราฟินไมกาและสารอื่น ๆ ถูกเลือกให้เป็นไดอิเล็กทริกสำหรับตัวเก็บประจุ ในรูป 64 แสดงตัวเก็บประจุทางเทคนิคซึ่งเทปกระดาษที่เคลือบด้วยพาราฟินทำหน้าที่เป็นไดอิเล็กทริก หน้าบานเป็นแผ่นเหล็กกดทับกระดาษไขทั้งสองด้าน ความจุของตัวเก็บประจุดังกล่าวมักจะถึงไมโครฟารัดหลายตัว ตัวอย่างเช่น ตัวเก็บประจุวิทยุสมัครเล่นขนาดเท่ากล่องไม้ขีดมีความจุ 2 ไมโครฟารัด

ข้าว. 64. ตัวเก็บประจุแบบแบนทางเทคนิค: a) ประกอบ; b) ในรูปแบบที่ถอดประกอบบางส่วน: 1 และ 1 "- เทปเฟรมซึ่งวางเทปด้วยกระดาษบางแว็กซ์ 2 เทปทั้งหมดถูกพับเข้าด้วยกันด้วย "หีบเพลง" และใส่ในกล่องโลหะ หน้าสัมผัส 3 และ 3" คือ บัดกรีที่ปลายเทป 1 และ 1 " เพื่อรวมตัวเก็บประจุในวงจร

เป็นที่ชัดเจนว่ามีเพียงไดอิเล็กทริกที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดีมากเท่านั้นที่เหมาะสำหรับการผลิตตัวเก็บประจุ มิฉะนั้นประจุจะไหลผ่านอิเล็กทริก ดังนั้นน้ำถึงแม้จะมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง แต่ก็ไม่เหมาะสำหรับการผลิตตัวเก็บประจุเพราะมีเพียงน้ำบริสุทธิ์อย่างระมัดระวังเท่านั้นที่เป็นไดอิเล็กตริกที่ดีเพียงพอ

หากช่องว่างระหว่างเพลตของตัวเก็บประจุแบบแบนเต็มไปด้วยตัวกลางที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริก สูตร (34.1) สำหรับตัวเก็บประจุแบบแบนจะอยู่ในรูปแบบ

ความจริงที่ว่าความจุของตัวเก็บประจุขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมบ่งชี้ว่าสนามไฟฟ้าภายในไดอิเล็กตริกกำลังเปลี่ยนแปลง เราได้เห็นแล้วว่าเมื่อตัวเก็บประจุเต็มไปด้วยไดอิเล็กตริกที่มีการอนุญาติให้เก็บประจุ ความจุจะเพิ่มขึ้นเป็น . ซึ่งหมายความว่าด้วยประจุเดียวกันบนเพลต ความต่างศักย์ระหว่างพวกมันจะลดลงตามปัจจัย แต่ความต่างศักย์และความแรงของสนามสัมพันธ์กันด้วยความสัมพันธ์ (30.1) ดังนั้นการลดลงของความต่างศักย์จึงหมายความว่าความแรงของสนามในตัวเก็บประจุเมื่อเติมด้วยไดอิเล็กตริกจะลดลงตามปัจจัย นี่คือสาเหตุของการเพิ่มความจุของตัวเก็บประจุ ครั้งน้อยกว่าในสุญญากาศ ดังนั้นเราจึงสรุปได้ว่ากฎของคูลอมบ์ (10.1) สำหรับประจุจุดที่วางในไดอิเล็กตริกมีรูปแบบ

การซึมผ่านของไฟฟ้า

ค่าความยอมทางไฟฟ้าเป็นค่าที่กำหนดลักษณะความจุของไดอิเล็กตริกที่วางอยู่ระหว่างเพลตของตัวเก็บประจุ ดังที่คุณทราบความจุของตัวเก็บประจุแบบแบนนั้นขึ้นอยู่กับขนาดของพื้นที่ของเพลต (ยิ่งพื้นที่ของเพลตยิ่งใหญ่เท่าใดความจุก็จะยิ่งมากขึ้น) ระยะห่างระหว่างเพลตหรือความหนาของไดอิเล็กตริก (ยิ่งอิเล็กทริกหนาเท่าไรความจุก็จะยิ่งต่ำลง) เช่นเดียวกับวัสดุของอิเล็กทริกซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือการซึมผ่านของไฟฟ้า

ในเชิงตัวเลข การซึมผ่านทางไฟฟ้าจะเท่ากับอัตราส่วนของความจุของตัวเก็บประจุต่อไดอิเล็กตริกใดๆ ของตัวเก็บประจุอากาศเดียวกัน ในการสร้างตัวเก็บประจุขนาดกะทัดรัด จำเป็นต้องใช้ไดอิเล็กทริกที่มีการซึมผ่านทางไฟฟ้าสูง ค่าความยอมทางไฟฟ้าของไดอิเล็กทริกส่วนใหญ่เป็นหลายหน่วย

ในด้านเทคโนโลยี ไดอิเล็กทริกที่มีการซึมผ่านทางไฟฟ้าสูงและสูงมาก ส่วนหลักของพวกเขาคือ rutile (ไททาเนียมไดออกไซด์)

รูปที่ 1 การซึมผ่านทางไฟฟ้าของตัวกลาง

มุมการสูญเสียอิเล็กทริก

ในบทความ "ไดอิเล็กทริก" เราวิเคราะห์ตัวอย่างการรวมไดอิเล็กตริกในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงและกระแสสลับ ปรากฎว่าไดอิเล็กตริกจริงเมื่อมันทำงานในสนามไฟฟ้าที่เกิดจากแรงดันไฟฟ้าสลับจะปล่อยพลังงานความร้อน พลังงานที่ดูดซับในกรณีนี้เรียกว่าการสูญเสียอิเล็กทริกในบทความ "วงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่มีความจุ" จะพิสูจน์ได้ว่าในอิเล็กทริกในอุดมคติกระแสประจุไฟฟ้าจะนำไปสู่แรงดันไฟฟ้าในมุมที่น้อยกว่า 90 ° ในไดอิเล็กตริกจริง กระแส capacitive นำแรงดันโดยทำมุมน้อยกว่า 90° การลดลงของมุมได้รับอิทธิพลจากกระแสรั่วไหล หรือที่เรียกว่ากระแสนำไฟฟ้า

ความแตกต่างระหว่าง 90° และมุมเปลี่ยนระหว่างแรงดันและกระแสที่ไหลในวงจรที่มีไดอิเล็กตริกจริงเรียกว่ามุมการสูญเสียอิเล็กทริกหรือมุมการสูญเสียและแสดงเป็น δ (เดลต้า) บ่อยครั้งไม่ได้กำหนดมุม แต่แทนเจนต์ของมุมนี้ -tg δ.

มีการพิสูจน์แล้วว่าการสูญเสียไดอิเล็กตริกเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแรงดันไฟฟ้า ความถี่ AC ความจุของตัวเก็บประจุ และแทนเจนต์การสูญเสียไดอิเล็กตริก

ดังนั้น ยิ่งการสูญเสียไดอิเล็กตริกแทนเจนต์ แทนเจนต์ tan ยิ่งการสูญเสียพลังงานในไดอิเล็กตริกมากเท่าใด วัสดุอิเล็กทริกยิ่งแย่ลง วัสดุที่มี tg δ ค่อนข้างใหญ่ (ตามลำดับ 0.08 - 0.1 ขึ้นไป) เป็นฉนวนที่ไม่ดี วัสดุที่มี tg δ ค่อนข้างน้อย (ตามคำสั่ง 0.0001) เป็นฉนวนที่ดี