Kapacitet kondenzatora zavisi, kao što iskustvo pokazuje, ne samo od veličine, oblika i relativnog položaja njegovih sastavnih provodnika, već i od svojstava dielektrika koji ispunjava prostor između ovih vodiča. Utjecaj dielektrika može se utvrditi korištenjem sljedećeg eksperimenta. Punimo ravni kondenzator i bilježimo očitanja elektrometra koji mjeri napon na kondenzatoru. Pomaknimo zatim nenabijenu ebonitnu ploču u kondenzator (slika 63). Vidjet ćemo da će se razlika potencijala između ploča primjetno smanjiti. Ako uklonite ebonit, očitanja elektrometra postaju ista. Ovo pokazuje da kada se zrak zamijeni ebonitom, kapacitivnost kondenzatora se povećava. Uzimajući neki drugi dielektrik umjesto ebonita, dobit ćemo sličan rezultat, ali će samo promjena kapacitivnosti kondenzatora biti drugačija. Ako je - kapacitivnost kondenzatora, između čijih ploča postoji vakuum, i - kapacitivnost istog kondenzatora, kada je cijeli prostor između ploča ispunjen, bez zračnih otvora, nekom vrstom dielektrika, tada je kapacitivnost će biti puta veći od kapacitivnosti, pri čemu zavisi samo od prirode dielektrika. Dakle, može se pisati

Rice. 63. Kapacitet kondenzatora se povećava kada se ebonit ploča gurne između njegovih ploča. Listovi elektrometra otpadaju, iako naboj ostaje isti

Vrijednost se naziva relativna dielektrična konstanta ili jednostavno dielektrična konstanta medija koji ispunjava prostor između ploča kondenzatora. U tabeli. 1 prikazane su vrijednosti permitivnosti nekih tvari.

Tabela 1. Dielektrična konstanta nekih tvari

Gore navedeno vrijedi ne samo za ravni kondenzator, već i za kondenzator bilo kojeg oblika: zamjenom zraka nekom vrstom dielektrika, povećavamo kapacitet kondenzatora za faktor od .

Strogo govoreći, kapacitivnost kondenzatora se povećava za faktor samo ako sve linije polja koje idu od jedne ploče do druge prolaze kroz dati dielektrik. Ovo će biti, na primjer, kondenzator koji je potpuno uronjen u neku vrstu tekućeg dielektrika, izliven u veliku posudu. Međutim, ako je razmak između ploča mali u odnosu na njihove dimenzije, onda se može smatrati da je dovoljno ispuniti samo prostor između ploča, jer je tu praktično koncentrisano električno polje kondenzatora. Dakle, za ravni kondenzator dovoljno je popuniti samo prostor između ploča dielektrikom.

Postavljanjem tvari visoke dielektrične konstante između ploča, kapacitet kondenzatora može se znatno povećati. Ovo se koristi u praksi, a obično se kao dielektrik za kondenzator ne bira zrak, već staklo, parafin, liskun i druge tvari. Na sl. 64 prikazuje tehnički kondenzator, u kojem papirna traka impregnirana parafinom služi kao dielektrik. Njegove obloge su čelični limovi pritisnuti s obje strane na voštani papir. Kapacitet takvih kondenzatora često doseže nekoliko mikrofarada. Tako, na primjer, amaterski radio kondenzator veličine kutije šibica ima kapacitet od 2 mikrofarada.

Rice. 64. Tehnički ravni kondenzator: a) montiran; b) u djelimično rastavljenom obliku: 1 i 1" - okvirne trake, između kojih su položene trake od voštanog tankog papira 2. Sve trake se savijaju zajedno "harmonikom" i stavljaju u metalnu kutiju. Kontakti 3 i 3" su zalemljeni na krajeve traka 1 i 1" kako bi se uključio kondenzator u krug

Jasno je da su samo dielektrici s vrlo dobrim izolacijskim svojstvima prikladni za proizvodnju kondenzatora. U suprotnom, naelektrisanja će teći kroz dielektrik. Stoga voda, unatoč visokoj dielektričnoj konstanti, uopće nije prikladna za proizvodnju kondenzatora, jer je samo izuzetno pažljivo pročišćena voda dovoljno dobar dielektrik.

Ako je prostor između ploča ravnog kondenzatora ispunjen medijem sa dielektričnom konstantom, tada formula (34.1) za ravni kondenzator ima oblik

Činjenica da kapacitivnost kondenzatora zavisi od okoline ukazuje da se električno polje unutar dielektrika menja. Vidjeli smo da kada se kondenzator napuni dielektrikom s permitivnošću, kapacitivnost se povećava za faktor od. To znači da se s istim nabojem na pločama razlika potencijala između njih smanjuje za faktor. Ali razlika potencijala i jačina polja su međusobno povezane relacijom (30.1). Stoga, smanjenje razlike potencijala znači da jačina polja u kondenzatoru kada se napuni dielektrikom postaje manja za faktor. To je razlog povećanja kapacitivnosti kondenzatora.

Ako označimo sa jačinom polja koje stvaraju bilo koja naelektrisana tela u određenoj tački vakuuma, i sa jačinom polja u istoj tački u slučaju kada je sa istim naelektrisanjem sav prostor ispunjen dielektrikom sa permitivnost, dakle

Ako su dva točkasta naboja u dielektriku, tada se jačina polja svakog od naboja u tački gdje se nalazi drugi naboj također smanjuje za faktor i stoga je sila koja djeluje na svaki od naboja nekoliko puta manja nego u vakuum. Otuda zaključujemo da Coulombov zakon (10.1) za tačkasto naelektrisanje postavljeno u dielektrik ima oblik

Svaka tvar ili tijelo koje nas okružuje ima određene električna svojstva. To je zbog molekularne i atomske strukture: prisutnosti nabijenih čestica koje su u međusobno vezanom ili slobodnom stanju.

Kada na supstancu ne djeluje vanjsko električno polje, te se čestice raspoređuju na način da se međusobno uravnotežuju i ne stvaraju dodatno električno polje u cijelom ukupnom volumenu. U slučaju eksterne aplikacije električna energija unutar molekula i atoma dolazi do preraspodjele naboja, što dovodi do stvaranja vlastitog unutrašnjeg električnog polja usmjerenog suprotno od vanjskog.

Ako je vektor primijenjenog vanjskog polja označen "E0", a unutrašnjeg - "E", tada će ukupno polje "E" biti zbir energije ove dvije veličine.

U elektricitetu je uobičajeno podijeliti tvari na:

provodnici;

dielektrika.

Takva klasifikacija postoji dugo vremena, iako je prilično uslovna jer mnoga tijela imaju druga ili kombinirana svojstva.

provodnici

Mediji koji imaju besplatne naknade djeluju kao dirigenti. Metali najčešće djeluju kao provodnici, jer u njihovoj strukturi uvijek postoje slobodni elektroni koji se mogu kretati u cijelom volumenu tvari, a istovremeno su sudionici toplinskih procesa.

Kada je provodnik izolovan od djelovanja vanjskih električnih polja, tada je ravnoteža pozitivnih i negativnih naboja iz jonskih rešetki i slobodnih elektrona. Ova ravnoteža se odmah ruši pri uvođenju - zbog čije energije počinje preraspodjela nabijenih čestica i na vanjskoj površini se pojavljuju neuravnoteženi naboji pozitivnih i negativnih vrijednosti.

Ovaj fenomen se zove elektrostatička indukcija. Naboji koji nastaju zbog toga na površini metala nazivaju se indukcijskih naboja.

Induktivna naelektrisanja formirana u provodniku formiraju sopstveno polje E", kompenzujući dejstvo spoljašnjeg E0 unutar provodnika. Dakle, vrednost ukupne, ukupne elektrostatičko polje kompenzirana i jednaka 0. U ovom slučaju, potencijali svih tačaka i iznutra i izvana su isti.

Dobiveni zaključak ukazuje da unutar provodnika, čak i sa spojenim vanjskim poljem, nema razlike potencijala i elektrostatičkih polja. Ova činjenica se koristi u zaštiti - primjeni metode elektrostatičke zaštite ljudi i električne opreme osjetljive na indukovana polja, posebno visokoprecizna merni instrumenti i mikroprocesorska tehnologija.

Zaštićena odjeća i obuća od tkanina sa provodljivim nitima, uključujući pokrivala za glavu, koriste se u elektroenergetici za zaštitu osoblja koje radi u uvjetima povećane napetosti koju stvara visokonaponska oprema.

Dielektrici

Takozvane supstance sa izolacionim svojstvima. Oni sadrže samo međusobno povezane, a ne besplatne naknade. Imaju sve pozitivne i negativne čestice pričvršćene unutar neutralnog atoma, lišene slobode kretanja. Oni su raspoređeni unutar dielektrika i ne pomiču se pod djelovanjem primijenjenog vanjskog polja E0.

Međutim, njegova energija i dalje uzrokuje određene promjene u strukturi tvari - unutar atoma i molekula mijenja se omjer pozitivnih i negativnih čestica, a na površini tvari postoje prekomjerni, neuravnoteženi vezani naboji koji formiraju unutarnje električno polje E. “. Usmjerena je kontra primijenjena iz vanjske napetosti.

Ovaj fenomen je imenovan dielektrična polarizacija. Karakterizira ga činjenica da se unutar tvari pojavljuje električno polje E, nastalo djelovanjem spoljna energija E0, ali oslabljen otporom unutrašnjeg E".

Vrste polarizacije

Unutar dielektrika je dvije vrste:

1. orijentacija;

2. elektronski.

Prvi tip ima dodatno ime dipolna polarizacija. To je svojstveno dielektricima sa pomaknutim centrima negativnih i pozitivnih naboja, koji formiraju molekule iz mikroskopskih dipola - neutralne kombinacije dvaju naboja. To je tipično za vodu, dušikov dioksid, vodonik sulfid.

Bez djelovanja vanjskog električnog polja u takvim supstancama, molekularni dipoli su orijentirani na haotičan način pod utjecajem djelovanja temperaturnih procesa. Istovremeno, ni u jednoj tački unutrašnjeg volumena i na vanjskoj površini dielektrika nema električnog naboja.

Ovaj obrazac se menja pod uticajem spoljašnje primenjene energije, kada dipoli malo promene svoju orijentaciju i na površini se pojavljuju oblasti nekompenzovanih makroskopskih vezanih naelektrisanja, formirajući polje E" sa smerom suprotnom od primenjenog E0.

Sa takvom polarizacijom, na procese u velikoj meri utiče temperatura, koja izaziva toplotno kretanje i stvara dezorijentišuće ​​faktore.

Elektronska polarizacija, elastični mehanizam

Manifestira se u nepolarnim dielektricima - materijalima drugačijeg tipa s molekulama lišenim dipolnog momenta, koji se pod utjecajem vanjskog polja deformišu na način da se pozitivnih naboja orijentirani su u smjeru vektora E0, a negativni - u suprotnom smjeru.

Kao rezultat, svaki od molekula radi kao električni dipol orijentiran duž ose primijenjenog polja. Oni na taj način stvaraju vlastito polje E" sa suprotnim smjerom na vanjskoj površini.

U takvim supstancama deformacija molekula, a samim tim i polarizacija od djelovanja polja izvana ne ovisi o njihovom kretanju pod utjecajem temperature. Primjer nepolarnog dielektrika je metan CH4.

Numerička vrijednost unutrašnjeg polja oba tipa dielektrika u početku se mijenja po veličini u direktnoj proporciji s povećanjem vanjskog polja, a zatim, kada se postigne zasićenje, pojavljuju se nelinearni efekti. Dolaze kada su svi molekularni dipoli poredani linije sile u polarnim dielektricima, ili je došlo do promjena u strukturi nepolarne tvari zbog jake deformacije atoma i molekula od velike energije primijenjene izvana.

U praksi se takvi slučajevi rijetko događaju - obično se kvar ili kvar izolacije dogodi ranije.

Dielektrična konstanta

Među izolacijskim materijalima, važnu ulogu imaju električne karakteristike i takav pokazatelj kao što je dielektrična konstanta . Može se procijeniti prema dvije različite karakteristike:

1. apsolutna vrijednost;

2. relativna vrijednost.

termin apsolutna permitivnost supstance εa se koriste kada se odnosi na matematičku notaciju Coulombovog zakona. On u obliku koeficijenta εa povezuje vektore indukcije D i intenziteta E.

Podsjetimo da je francuski fizičar Charles de Coulomb koristio vlastitu torzionu vagu da bi istražio obrasce električnih i magnetskih sila između malih nabijenih tijela.

Određivanje relativne permitivnosti medija koristi se za karakterizaciju izolacijskih svojstava tvari. Procjenjuje omjer snage interakcije između njih dvoje bodovne naknade pod dva različita uslova: u vakuumu i radnom okruženju. U ovom slučaju indikatori vakuuma se uzimaju kao 1 (εv=1), dok su za stvarne supstance uvijek veći, εr>1.

Numerički izraz εr se prikazuje kao bezdimenzionalna veličina, objašnjava se efektom polarizacije u dielektricima i koristi se za procjenu njihovih karakteristika.

Vrijednosti dielektrične konstante pojedinačnih medija(na sobnoj temperaturi)

Interakcija struja – koja dolazi po jedinici dužine svakog od paralelnih vodiča, proporcionalna je veličini struja i obrnuto proporcionalna udaljenosti između njih.

Jedan važan primjer magnetske interakcije struja je interakcija paralelnih struja. Obrasce ovog fenomena eksperimentalno je ustanovio Amper. Ako dva paralelna provodnika električne struje teče u istom smjeru, tada dolazi do međusobnog privlačenja provodnika. Kada struje teku u suprotnim smjerovima, provodnici se odbijaju. Interakcija struja uzrokovana je njihovim magnetna polja: magnetsko polje jedne struje djeluje silom Ampera na drugu struju i obrnuto.

U formuli smo koristili:

Jačina interakcije struja

Magnetna konstanta

Dužina provodnika

Udaljenost između dva provodnika

Dielektrična konstanta - vrijednost koja karakterizira dielektrična svojstva medija - njegov odgovor na električno polje.

U većini dielektrika, pri ne baš jakim poljima, permitivnost ne zavisi od polja E. U jakim poljima, međutim, električna polja(uporedivo sa unutaratomskim poljima), au nekim dielektricima u običnim poljima, ovisnost D o E je nelinearna

Isti način dielektrična konstanta pokazuje koliko je puta sila interakcije F između električnih naboja u datom mediju njihova interakcijska sila Fo u vakuumu je manja

Relativna permitivnost tvari može se odrediti poređenjem kapacitivnosti ispitnog kondenzatora sa datim dielektrikom (Cx) i kapacitivnosti istog kondenzatora u vakuumu (Co)

Tabela vrijednosti permitivnosti za čvrsta tijela

Tabela dielektričnih vrijednosti za tekućine

Tabela vrijednosti dielektrične konstante za plinove

U formuli smo koristili:

Električna indukcija u okolini

Dielektrična konstanta medija

Jačina električnog polja

Sila interakcije između naboja u mediju

Sila interakcije između naboja u vakuumu

Kapacitet kondenzatora u okruženju

Kapacitet kondenzatora u vakuumu

Električni kapacitet - karakteristika provodnika (kondenzatora), mjera njegove sposobnosti da akumulira električni naboj.

Kondenzator se sastoji od dva provodnika (ploče), koji su odvojeni dielektrikom. Na kapacitet kondenzatora ne bi trebalo da utiču okolna tela, pa su provodnici oblikovani tako da je polje koje stvaraju akumulirani naboji koncentrisano u uskom procepu između ploča kondenzatora. Ovaj uslov zadovoljavaju: 1) dve ravne ploče; 2) dve koncentrične sfere; 3) dva koaksijalna cilindra. Stoga, ovisno o obliku ploča, kondenzatori se dijele na ravne, sferne i cilindrične.

Kako je polje koncentrisano unutar kondenzatora, linije napetosti počinju na jednoj ploči, a završavaju na drugoj, pa su slobodni naboji koji nastaju na različitim pločama jednaki po veličini i suprotnog predznaka. Kapacitet kondenzatora je fizička količina, jednak omjeru naboja Q akumuliranog u kondenzatoru i razlike potencijala (φ1 - φ2) između njegovih ploča

Stranica 1

Permitivnost vakuuma se uzima kao jedinica. Za većinu gasova i para ona je blizu jedinice, dok za niz drugih supstanci permitivnost može biti mnogo veća od jedinice i dostići nekoliko hiljada.

Permitivnost vakuuma e0 jednaka je 8 8542 X X10 - 14 f / cm, ili 8 8542 - 10-14 C / V cm. Ako su tijela uronjena u dielektrični medij koji se sastoji od polarizabilne supstance, tada sile koje djeluju između tijela u takvom mediju bit će drugačija od vakuuma.

Permitivnost vakuuma označava se e0 i naziva se električna konstanta.

Permitivnost vakuuma eo je jednaka 8 8542 X XO-14 F/cm, odnosno 8 8542 10 - 14 C/V - cm. Ako su tijela uronjena u dielektrični medij koji se sastoji od polarizabilne supstance, tada sile koje djeluju između tijela u takvom mediju bit će drugačija od vakuuma.

EO - permitivnost vakuuma; c - dielektrična permitivnost silicijuma; Na je koncentracija akceptorskih nečistoća u bazi na emiterskom spoju; fk - kontaktna razlika potencijala, približno jednaka 1 V; U - obrnuto - napon na spoju.

BO - permitivnost vakuuma; B, f - realni i imaginarni dijelovi kompleksne permitivnosti; 6 - ugao dielektričnog gubitka.

Pronađen je izraz za permitivnost vakuuma u jakim nehomogenim poljima, koji se koristi za rješavanje problema raspodjele vakuumskog naboja u blizini jezgra proizvoljno malog polumjera. Ispostavilo se da, pored polarizacionog naboja, koji kvantna elektrodinamika uzima u obzir, važnu ulogu igra i naboj elektrona kondenzata, koji se gubi u konvencionalnim proračunima. Dakle, kondenzacija elektrona ima značajan uticaj na interakciju naelektrisanih čestica na malim udaljenostima.

Pošto je za permitivnost vakuuma ae, o 1, sa identičnim česticama u oba sistema, ovaj uslov sličnosti je zadovoljen ako je naelektrisanje koje poseduju čestice proporcionalno brzini gasa.

Vrijednost EL naziva se permitivnost vakuuma.

Pogledajmo sada kolika je permitivnost vakuuma e0 u MKSA sistemu. Neka dva naelektrisanja ql qt k 3 - 109 COSE, odvojena jedno od drugog za 1 m 0 asm, međusobno deluju u vakuumu.

Treba napomenuti da vrijednost permitivnosti vakuuma ovisi o sistemu jedinica.

U odnosu (8.7), eo označava permitivnost vakuuma, Ep je električno polje razmatranog tipa oscilacija DR.

Odnos dielektrične konstante datog materijala i dielektrične konstante vakuuma naziva se dielektrični koeficijent, što je apstraktna vrednost; ponekad se naziva permitivnost.

Eo 8 85 - 10 - 3 - permitivnost vakuuma, pF / mm; e je relativna permitivnost dielektrika (c -), S je površina ravne obloge, mm2; b - razmak između ploča, mm. Nazivni kapacitet i njegova dozvoljena odstupanja u procentima navedeni su na kućištu kondenzatora.

PM je indukovana nelinearna polarizacija, a e0 je permitivnost vakuuma.

DIELEKTRIČNA PERMEABILNOST, vrijednost ε, koja karakterizira polarizaciju dielektrika pod djelovanjem električnog polja jačine E. Dielektrična konstanta je uključena u Coulomb zakon kao veličina koja pokazuje koliko je puta sila interakcije dva slobodna naboja u dielektrik je manji nego u vakuumu. Do slabljenja interakcije dolazi zbog skriniranja slobodnih naboja vezanih naelektrisanja nastalih kao rezultat polarizacije medija. Vezani naboji nastaju kao rezultat mikroskopske prostorne preraspodjele naboja (elektrona, iona) u električno neutralnom mediju u cjelini.

Veza između vektora polarizacije P, jačine električnog polja E i električne indukcije D u izotropnom mediju u SI sistemu jedinica ima oblik:

gdje je ε 0 električna konstanta. Vrijednost permitivnosti ε ovisi o strukturi i hemijski sastav supstance, kao i pritisak, temperatura i drugo spoljni uslovi(tabela).

Za gasove, njegova vrijednost je blizu 1, za tečnosti i čvrste materije varira od nekoliko jedinica do nekoliko desetina, za feroelektrike može dostići 10 4 . Takvo širenje vrijednosti ε je posljedica različitih mehanizama polarizacije koji se odvijaju u različitim dielektricima.

Klasična mikroskopska teorija dovodi do približnog izraza za permitivnost nepolarnih dielektrika:

gdje je n i koncentracija i-te vrste atoma, jona ili molekula, α i je njihova polarizabilnost, β i je takozvani faktor unutrašnjeg polja, zbog strukturnih karakteristika kristala ili supstance. Za većinu dielektrika sa permitivnošću u rasponu od 2-8, β = 1/3. Obično je permitivnost praktički nezavisna od veličine primijenjenog električnog polja sve do električnog sloma dielektrika. Visoke vrijednosti ε nekih metalnih oksida i drugih spojeva posljedica su posebnosti njihove strukture, koja omogućava, pod djelovanjem polja E, kolektivno pomicanje podrešeta pozitivnih i negativnih iona u suprotnim smjerovima i formiranje značajnih vezanih naboja na granici kristala.

Proces dielektrične polarizacije pri primjeni električnog polja ne razvija se trenutno, već kroz određeno vrijeme τ (vrijeme relaksacije). Ako se polje E mijenja u vremenu t prema harmonijskom zakonu s frekvencijom ω, tada polarizacija dielektrika nema vremena da ga prati i pojavljuje se fazna razlika δ između oscilacija P i E. Kada se oscilacije P i E opisuju metodom kompleksnih amplituda, permitivnost se predstavlja kompleksnom vrijednošću:

ε = ε’ + iε",

osim toga, ε' i ε" zavise od ω i τ, a omjer ε"/ε' = tg δ određuje dielektrične gubitke u mediju. Fazni pomak δ zavisi od omjera τ i perioda polja T = 2π/ω. Na τ<< Т (ω<< 1/τ, низкие частоты) направление Р изменяется практически одновременно с Е, т. е. δ → 0 (механизм поляризации «включён»). Соответствующее значение ε’ обозначают ε (0) . При τ >> T (visoke frekvencije) polarizacija ne prati promjenu Ε, δ → π i ε' u ovom slučaju označavamo ε (∞) (mehanizam polarizacije je “isključen”). Očigledno, ε (0) > ε (∞) , i in varijabilna polja ispada da je permitivnost funkcija ω. U blizini ω = l/τ, ε' se mijenja od ε (0) do ε (∞) (disperziona oblast), a ovisnost tgδ(ω) prolazi kroz maksimum.

Priroda zavisnosti ε'(ω) i tgδ(ω) u području disperzije određena je mehanizmom polarizacije. U slučaju ionske i elektronske polarizacije sa elastičnim pomakom vezanih naboja, promjena P(t) uz postupno uključivanje polja E ima karakter prigušenih oscilacija, a ovisnosti ε'(ω) i tgδ(ω ) se nazivaju rezonantnim. U slučaju orijentacijske polarizacije, uspostavljanje P(t) je eksponencijalno, a zavisnosti ε'(ω) i tgδ(ω) se nazivaju relaksacijom.

Metode za mjerenje dielektrične polarizacije zasnivaju se na fenomenima interakcije elektromagnetno polje sa električnim dipolnim momentima čestica materije i različiti su za različite frekvencije. Većina metoda pri ω ≤ 10 8 Hz zasniva se na procesu punjenja i pražnjenja mjernog kondenzatora ispunjenog ispitivanim dielektrikom. Na višim frekvencijama koriste se valovodne, rezonantne, multifrekventne i druge metode.

U nekim dielektricima, na primjer, feroelektricima, proporcionalni odnos između P i Ε [P = ε 0 (ε – 1)E] i, shodno tome, između D i E je narušen čak i u običnim električnim poljima postignutim u praksi. Formalno, ovo se opisuje kao zavisnost ε(Ε) ≠ const. U ovom slučaju, važno električna karakteristika dielektrik je diferencijalna permitivnost:

U nelinearnim dielektricima, vrijednost ε diff se obično mjeri u slabim naizmjeničnim poljima uz istovremeno nametanje jakog konstantno polje, a varijabilna komponenta ε diff naziva se reverzibilna permitivnost.

Lit. vidi u ul. Dielektrici.