Capacitatea unui condensator depinde, după cum arată experiența, nu numai de dimensiunea, forma și poziția relativă a conductorilor săi constitutivi, ci și de proprietățile dielectricului care umple spațiul dintre acești conductori. Influența dielectricului poate fi stabilită folosind următorul experiment. Încărcăm un condensator plat și notăm citirile unui electrometru care măsoară tensiunea pe condensator. Să mutăm apoi o placă de ebonită neîncărcată în condensator (Fig. 63). Vom vedea că diferența de potențial dintre plăci va scădea vizibil. Dacă îndepărtați ebonita, atunci citirile electrometrului devin aceleași. Acest lucru arată că atunci când aerul este înlocuit cu ebonită, capacitatea condensatorului crește. Luând un alt dielectric în loc de ebonită, vom obține un rezultat similar, dar numai modificarea capacității condensatorului va fi diferită. Dacă - capacitatea condensatorului, între plăcile cărora există un vid, și - capacitatea aceluiași condensator, atunci când întreg spațiul dintre plăci este umplut, fără goluri de aer, cu un fel de dielectric, atunci capacitatea va fi de ori mai mare decât capacitatea, unde depinde doar de natura dielectricului. Astfel, se poate scrie

Orez. 63. Capacitatea unui condensator crește atunci când o placă de ebonită este împinsă între plăcile sale. Foile electrometrului cad, deși sarcina rămâne aceeași

Valoarea se numește constantă dielectrică relativă sau pur și simplu constanta dielectrică a mediului care umple spațiul dintre plăcile condensatorului. În tabel. 1 arată valorile permitivității unor substanțe.

Tabelul 1. Constanta dielectrica a unor substante

Cele de mai sus sunt valabile nu numai pentru un condensator plat, ci și pentru un condensator de orice formă: prin înlocuirea aerului cu un fel de dielectric, creștem capacitatea condensatorului cu un factor de 1.

Strict vorbind, capacitatea unui condensator crește cu un factor de numai dacă toate liniile de câmp care trec de la o placă la alta trec prin dielectricul dat. Acesta va fi, de exemplu, un condensator care este complet scufundat într-un fel de dielectric lichid, turnat într-un vas mare. Cu toate acestea, dacă distanța dintre plăci este mică în comparație cu dimensiunile lor, atunci se poate considera că este suficient să umpleți doar spațiul dintre plăci, deoarece aici este practic concentrat câmpul electric al condensatorului. Deci, pentru un condensator plat, este suficient să umpleți doar spațiul dintre plăci cu un dielectric.

Prin plasarea unei substanțe cu o constantă dielectrică ridicată între plăci, capacitatea condensatorului poate fi crescută foarte mult. Acesta este folosit în practică și, de obicei, nu aerul, ci sticla, parafina, mica și alte substanțe sunt alese ca dielectric pentru un condensator. Pe fig. 64 prezintă un condensator tehnic, în care o bandă de hârtie impregnată cu parafină servește ca dielectric. Fețele sale sunt foi de oțel presate pe ambele părți pe hârtie cerată. Capacitatea unor astfel de condensatoare ajunge adesea la câțiva microfaradi. Deci, de exemplu, un condensator radio amator de dimensiunea unei cutii de chibrituri are o capacitate de 2 microfarad.

Orez. 64. Condensator tehnic plat: a) asamblat; b) în formă parțial dezasamblată: 1 și 1 "- benzi de cadru, între care sunt așezate benzi de hârtie subțire cerată 2. Toate benzile sunt pliate împreună cu un "acordeon" și introduse într-o cutie metalică. Contactele 3 și 3" sunt lipite la capetele benzilor 1 și 1" pentru a include un condensator în circuit

Este clar că numai dielectricii cu proprietăți izolante foarte bune sunt potrivite pentru fabricarea unui condensator. În caz contrar, sarcinile vor curge prin dielectric. Prin urmare, apa, în ciuda constantei sale dielectrice ridicate, nu este deloc potrivită pentru fabricarea condensatoarelor, deoarece numai apa purificată extrem de atent este un dielectric suficient de bun.

Dacă spațiul dintre plăcile unui condensator plat este umplut cu un mediu cu constantă dielectrică, atunci formula (34.1) pentru un condensator plat ia forma

Faptul că capacitatea unui condensator depinde de mediu indică faptul că câmpul electric din interiorul dielectricilor se modifică. Am văzut că atunci când un condensator este umplut cu un dielectric cu o permitivitate, capacitatea crește cu un factor de . Aceasta înseamnă că, cu aceleași sarcini pe plăci, diferența de potențial dintre ele scade cu un factor. Dar diferența de potențial și intensitatea câmpului sunt interconectate prin relația (30.1). Prin urmare, o scădere a diferenței de potențial înseamnă că intensitatea câmpului în condensator atunci când este umplut cu un dielectric devine mai mică cu un factor. Acesta este motivul creșterii capacității condensatorului.

Dacă notăm prin puterea câmpului creat de orice corp încărcat într-un anumit punct în vid și prin puterea câmpului în același punct în cazul în care, cu aceleași sarcini, tot spațiul este umplut cu un dielectric cu permittivitatea, atunci

Dacă într-un dielectric există două sarcini punctuale, atunci intensitatea câmpului fiecăreia dintre sarcini în punctul în care se află cealaltă sarcină scade, de asemenea, cu un factor și, prin urmare, forța care acționează asupra fiecăreia dintre sarcini este de câteva ori mai mică decât în vid. Prin urmare, concluzionăm că legea lui Coulomb (10.1) pentru sarcinile punctuale plasate într-un dielectric are forma

Orice substanță sau corp care ne înconjoară are anumite proprietăți electrice. Acest lucru se datorează structurii moleculare și atomice: prezența particulelor încărcate care se află într-o stare legată reciproc sau liber.

Atunci când niciun câmp electric extern nu acționează asupra substanței, aceste particule sunt distribuite în așa fel încât să se echilibreze între ele și să nu creeze un câmp electric suplimentar în întregul volum total. În cazul unei aplicații externe energie electricaîn interiorul moleculelor și atomilor are loc o redistribuire a sarcinilor, care duce la crearea propriului câmp electric intern îndreptat opus celui extern.

Dacă vectorul câmpului extern aplicat este desemnat "E0", iar cel intern - "E"", atunci câmpul total "E" va fi suma energiei acestor două mărimi.

În electricitate, se obișnuiește să se împartă substanțele în:

conductoare;

dielectrice.

O astfel de clasificare există de mult timp, deși este mai degrabă condiționată, deoarece multe corpuri au alte proprietăți sau combinate.

conductoare

Mass-media care au taxe gratuite acționează ca conductori. Cel mai adesea, metalele acționează ca conductoare, deoarece în structura lor există întotdeauna electroni liberi care se pot mișca în întregul volum al substanței și, în același timp, participă la procesele termice.

Când conductorul este izolat de acțiunea câmpurilor electrice externe, atunci o balanță pozitivă și sarcini negative din rețele ionice și electroni liberi. Acest echilibru este imediat distrus la introducere - datorită energiei căreia începe redistribuirea particulelor încărcate și pe suprafața exterioară apar sarcini dezechilibrate de valori pozitive și negative.

Acest fenomen se numește inducție electrostatică. Sarcinile care decurg din acesta pe suprafața metalelor se numesc sarcini de inducție.

Sarcinile inductive formate în conductor formează propriul lor câmp E", compensând acțiunea E0 externă în interiorul conductorului. Prin urmare, valoarea totalului, total câmp electrostatic compensat și egal cu 0. În acest caz, potențialele tuturor punctelor atât din interior cât și din exterior sunt aceleași.

Concluzia obținută indică faptul că în interiorul conductorului, chiar și cu un câmp extern conectat, nu există nicio diferență de potențial și nici câmpuri electrostatice. Acest fapt este folosit în ecranare - aplicarea unei metode de protecție electrostatică a persoanelor și echipamentelor electrice sensibile la câmpurile induse, în special de înaltă precizie instrumente de masurași tehnologia cu microprocesor.

Îmbrăcămintea și încălțămintea ecranată din țesături cu fire conductoare, inclusiv un accesoriu pentru cap, sunt utilizate în industria energetică pentru a proteja personalul care lucrează în condiții de tensiune crescută create de echipamentele de înaltă tensiune.

Dielectrice

Așa numitele substanțe cu proprietăți izolante. Acestea conțin doar taxe interconectate, nu gratuite. Au toate particulele pozitive și negative fixate în interiorul unui atom neutru, lipsite de libertatea de mișcare. Ele sunt distribuite în interiorul dielectricului și nu se mișcă sub acțiunea câmpului extern aplicat E0.

Cu toate acestea, energia sa provoacă în continuare anumite modificări în structura substanței - în interiorul atomilor și moleculelor se modifică raportul dintre particulele pozitive și negative, iar la suprafața substanței există sarcini legate excesive, dezechilibrate, care formează un câmp electric intern E „. Este contra direcționată aplicată din tensiunea exterioară.

Acest fenomen a fost numit polarizare dielectrică. Se caracterizează prin faptul că în interiorul substanței apare un câmp electric E, format prin acțiune energie externă E0, dar slăbit de rezistența E-ului intern”.

Tipuri de polarizare

În interiorul dielectricilor este de două tipuri:

1. orientare;

2. electronice.

Primul tip are denumirea suplimentară de polarizare dipol. Este inerent dielectricilor cu centre deplasate de sarcini negative și pozitive, care formează molecule din dipoli microscopici - o combinație neutră de două sarcini. Acest lucru este tipic pentru apă, dioxid de azot, hidrogen sulfurat.

Fără acțiunea unui câmp electric extern în astfel de substanțe, dipolii moleculari sunt orientați într-o manieră haotică sub influența proceselor de temperatură care acționează. În același timp, nu există sarcină electrică în niciun punct al volumului intern și pe suprafața exterioară a dielectricului.

Acest model se schimbă sub influența energiei aplicate extern, când dipolii își schimbă ușor orientarea și apar regiuni de sarcini macroscopice necompensate legate la suprafață, formând un câmp E" cu direcția opusă E0 aplicată.

Cu o astfel de polarizare, procesele sunt foarte influențate de temperatură, care provoacă mișcare termică și creează factori de dezorientare.

Polarizare electronică, mecanism elastic

Se manifestă în dielectrici nepolari - materiale de alt tip cu molecule lipsite de moment dipol, care, sub influența unui câmp extern, sunt deformate în așa fel încât sarcini pozitive sunt orientate în direcția vectorului E0, iar negative - în direcția opusă.

Ca rezultat, fiecare dintre molecule funcționează ca un dipol electric orientat de-a lungul axei câmpului aplicat. Ei, în acest fel, își creează propriul câmp E „cu direcția opusă pe suprafața exterioară.

În astfel de substanțe, deformarea moleculelor și, în consecință, polarizarea din acțiunea câmpului din exterior nu depinde de mișcarea lor sub influența temperaturii. Un exemplu de dielectric nepolar este metanul CH4.

Valoarea numerică a câmpului intern al ambelor tipuri de dielectrici se modifică inițial în mărime direct proporțional cu creșterea câmpului extern, iar apoi, când se atinge saturația, apar efecte neliniare. Ele vin atunci când toți dipolii moleculari sunt aliniați de-a lungul linii de forțăîn dielectricii polari, sau s-au produs modificări în structura unei substanțe nepolare datorită unei deformări puternice a atomilor și moleculelor dintr-o energie mare aplicată din exterior.

În practică, astfel de cazuri apar rar - de obicei, defecțiunea sau defectarea izolației are loc mai devreme.

Constanta dielectrică

Dintre materialele izolante, un rol important este acordat caracteristicilor electrice și unui astfel de indicator ca constanta dielectrică . Poate fi evaluat prin două caracteristici diferite:

1. valoare absolută;

2. valoare relativă.

termen permisivitatea absolută substanțele εa sunt folosite când se face referire la notația matematică a legii lui Coulomb. Acesta, sub forma unui coeficient εa, conectează vectorii de inducție D și intensitatea E.

Amintiți-vă că fizicianul francez Charles de Coulomb și-a folosit propria balanță de torsiune pentru a investiga modelele forțelor electrice și magnetice dintre corpurile mici încărcate.

Determinarea permitivității relative a unui mediu este utilizată pentru a caracteriza proprietățile izolatoare ale unei substanțe. Evaluează raportul dintre puterea interacțiunii dintre doi taxe punctualeîn două condiții diferite: în vid și mediu de lucru. În acest caz, indicatorii de vid sunt luați ca 1 (εv=1), în timp ce pentru substanțele reale sunt întotdeauna mai mari, εr>1.

Expresia numerică εr este afișată ca mărime adimensională, este explicată prin efectul polarizării în dielectrici și este utilizată pentru a evalua caracteristicile acestora.

Valorile constantelor dielectrice ale mediilor individuale(la temperatura camerei)

Interacțiunea curenților - veniți pe unitate de lungime a fiecăruia dintre conductorii paraleli, este proporțională cu mărimea curenților și invers proporțională cu distanța dintre ei.

Un exemplu important de interacțiune magnetică a curenților este interacțiunea curenților paraleli. Tiparele acestui fenomen au fost stabilite experimental de Ampère. Dacă doi conductori paraleli curenti electrici curge în aceeași direcție, atunci există o atracție reciprocă a conductorilor. Când curenții curg în direcții opuse, conductorii se resping reciproc. Interacțiunea curenților este cauzată de acestea campuri magnetice: câmpul magnetic al unui curent acționează prin forța Amperii asupra altui curent și invers.

În formula am folosit:

Puterea interacțiunii curenților

Constanta magnetica

Lungimea conductorului

Distanța dintre doi conductori

Permitivitatea dielectrică este o valoare care caracterizează proprietățile dielectrice ale unui mediu - răspunsul acestuia la un câmp electric.

În majoritatea dielectricilor, la câmpuri nu foarte puternice, permitivitatea nu depinde de câmpul E. În câmpuri puternice, însă, câmpuri electrice(comparabil cu câmpurile intra-atomice), iar în unele dielectrice în câmpuri obișnuite, dependența lui D de E este neliniară

Același fel constanta dielectrică arată de câte ori forța de interacțiune F între sarcini electriceîntr-un mediu dat, forța lor de interacțiune Fo în vid este mai mică

Permitivitatea relativă a unei substanțe poate fi determinată prin compararea capacității unui condensator de testare cu un dielectric dat (Cx) și a capacității aceluiași condensator în vid (Co).

Tabelul valorilor de permitivitate pentru solide

Tabel de valori dielectrice pentru lichide

Tabelul valorilor constantelor dielectrice pentru gaze

În formula am folosit:

Inductia electrica in mediu

Constanta dielectrică a mediului

Intensitatea câmpului electric

Forța de interacțiune între sarcini dintr-un mediu

Forța de interacțiune între sarcini în vid

Capacitatea condensatorului în mediu

Capacitatea condensatorului in vid

Capacitate electrică - o caracteristică a unui conductor (condensator), o măsură a capacității sale de a acumula o sarcină electrică.

Condensatorul este format din doi conductori (plăci), care sunt separate printr-un dielectric. Capacitatea condensatorului nu ar trebui să fie afectată de corpurile înconjurătoare, astfel încât conductorii sunt formați astfel încât câmpul creat de sarcinile acumulate să fie concentrat într-un spațiu îngust între plăcile condensatorului. Această condiție este îndeplinită de: 1) două plăci plate; 2) două sfere concentrice; 3) doi cilindri coaxiali. Prin urmare, în funcție de forma plăcilor, condensatoarele sunt împărțite în plate, sferice și cilindrice.

Deoarece câmpul este concentrat în interiorul condensatorului, liniile de tensiune încep pe o placă și se termină pe cealaltă, astfel încât sarcinile libere care apar pe diferite plăci sunt egale ca mărime și semn opus. Capacitatea unui condensator este cantitate fizica, egal cu raportul dintre sarcina Q acumulată în condensator și diferența de potențial (φ1 - φ2) dintre plăcile sale

Pagina 1

Permitivitatea vidului este luată ca unitate. Pentru majoritatea gazelor și vaporilor, este aproape de unitate, în timp ce pentru o serie de alte substanțe, permisivitatea poate fi mult mai mare decât unitate și poate ajunge la câteva mii.

Permitivitatea în vid e0 este egală cu 8 8542 X X10 - 14 f / cm, sau 8 8542 - 10-14 C / V cm. Dacă corpurile sunt scufundate într-un mediu dielectric format dintr-o substanță polarizabilă, atunci forțele care acționează între corpurile într-un astfel de mediu vor fi altele decât vid.

Permitivitatea vidului se notează cu e0 și se numește constantă electrică.

Permitivitatea în vid eo este egală cu 8 8542 X XO-14 F / cm, sau 8 8542 10 - 14 C / V - cm. Dacă corpurile sunt scufundate într-un mediu dielectric format dintr-o substanță polarizabilă, atunci forțele care acționează între corpurile într-un astfel de mediu vor fi altele decât vid.

EO - permittivitatea în vid; c - permitivitatea dielectrică a siliciului; Na este concentrația de impurități acceptoare în bază de la joncțiunea emițătorului; fk - diferența de potențial de contact, aproximativ egală cu 1 V; U - invers - tensiune la joncțiune.

BO - permittivitatea în vid; B, f - părți reale și imaginare ale permitivității complexe; 6 - unghi de pierdere dielectrică.

Se găsește o expresie pentru permisivitatea vidului în câmpuri neomogene puternice, care este folosită pentru a rezolva problema distribuției unei sarcini de vid în apropierea unui nucleu cu o rază arbitrar mică. Rezultă că, pe lângă sarcina de polarizare, care este luată în considerare de electrodinamica cuantică, un rol important îl joacă încărcarea electronilor de condensat, care se pierde în calculele convenționale. Astfel, condensarea electronilor are un efect semnificativ asupra interacțiunii particulelor încărcate la distanțe scurte.

Deoarece pentru permisivitatea vidului ae, o 1, cu particule identice în ambele sisteme, această condiție de similitudine este îndeplinită dacă sarcina deținută de particule este proporțională cu viteza gazului.

Valoarea EL se numește permitivitate în vid.

Să vedem acum care este permisivitatea în vid e0 în sistemul MKSA. Fie două sarcini ql qt k 3 - 109 COSE, separate de 1 m 0 asm una de cealaltă, interacționează în vid.

Trebuie remarcat faptul că valoarea permisivității în vid depinde de sistemul de unități.

În relația (8.7), eo denotă permisivitatea vidului, Ep este câmpul electric al tipului de oscilații considerat al DR.

Raportul dintre constanta dielectrică a unui material dat și constanta dielectrică a vidului se numește coeficient dielectric, care este o valoare abstractă; se numește uneori permisivitatea.

Eo 8 85 - 10 - 3 - permitivitate în vid, pF / mm; e este permisivitatea relativă a dielectricului (c -), S este aria căptușelii plate, mm2; b - distanta dintre placi, mm. Capacitatea nominală și abaterile sale admise ca procent sunt indicate pe carcasa condensatorului.

PM este polarizarea neliniară indusă și e0 este permisivitatea în vid.

PERMEABILITATEA DIELECTRICĂ, valoarea lui ε, care caracterizează polarizarea dielectricilor sub acțiunea unui câmp electric de putere E. Constanta dielectrică este inclusă în legea Coulombului ca mărime care arată de câte ori forța de interacțiune a două sarcini libere într-un dielectricul este mai mic decât în ​​vid. Slăbirea interacțiunii are loc datorită ecranării sarcinilor libere de către sarcinile legate formate ca urmare a polarizării mediului. Sarcinile legate apar ca urmare a unei redistribuiri spațiale microscopice a sarcinilor (electroni, ioni) într-un mediu neutru din punct de vedere electric în ansamblu.

Relația dintre vectorii de polarizare P, intensitatea câmpului electric E și inducția electrică D într-un mediu izotrop din sistemul SI de unități are forma:

unde ε 0 este o constantă electrică. Valoarea permitivității ε depinde de structură și compoziție chimică substanțe, precum și presiune, temperatură și altele conditii externe(masa).

Pentru gaze, valoarea sa este apropiată de 1, pentru lichide și solide variază de la câteva unităţi la câteva zeci, pentru feroelectrice poate ajunge la 10 4 . O astfel de răspândire a valorilor lui ε se datorează diferitelor mecanisme de polarizare care au loc în dielectrici dielectrici.

Teoria microscopică clasică conduce la o expresie aproximativă a permisivității dielectricilor nepolari:

unde n i este concentrația celui de-al i-lea fel de atomi, ioni sau molecule, α i este polarizabilitatea acestora, β i este așa-numitul factor de câmp intern, datorită caracteristicilor structurale ale unui cristal sau substanță. Pentru majoritatea dielectricilor cu permitivitate cuprinsă între 2-8, β = 1/3. De obicei, permisivitatea este practic independentă de mărimea câmpului electric aplicat până la ruperea electrică a dielectricului. Valorile ridicate ale ε ale unor oxizi metalici și altor compuși se datorează particularităților structurii lor, care permite, sub acțiunea câmpului E, deplasarea colectivă a subrețelelor de ioni pozitivi și negativi în direcții opuse și formarea unor sarcini legate semnificative la limita cristalului.

Procesul de polarizare a unui dielectric atunci când se aplică un câmp electric nu se dezvoltă instantaneu, ci într-un anumit timp τ (timp de relaxare). Dacă câmpul E se modifică în timpul t după o lege armonică cu o frecvență ω, atunci polarizarea dielectricului nu are timp să-l urmeze, iar între oscilațiile P și E apare o diferență de fază δ. Când se descriu oscilațiile P și E prin metoda amplitudinilor complexe, permitivitatea este reprezentată de o valoare complexă:

ε = ε’ + iε",

în plus, ε' şi ε" depind de ω şi τ, iar raportul ε"/ε' = tg δ determină pierderile dielectrice în mediu. Defazatul δ depinde de raportul τ și de perioada de câmp Т = 2π/ω. La 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 (frecvențe înalte) polarizarea nu ține pasul cu modificarea Ε, δ → π și ε' în acest caz indică ε (∞) (mecanismul de polarizare este „off”). Evident, ε (0) > ε (∞) și în câmpuri variabile permitivitatea se dovedește a fi o funcție a lui ω. Aproape de ω = l/τ, ε' se schimbă de la ε (0) la ε (∞) (regiune de dispersie), iar dependența tgδ(ω) trece printr-un maxim.

Natura dependențelor ε'(ω) și tgδ(ω) în regiunea de dispersie este determinată de mecanismul de polarizare. În cazul polarizărilor ionice și electronice cu o deplasare elastică a sarcinilor legate, modificarea în P(t) cu o includere treptată a câmpului E are caracterul de oscilații amortizate, iar dependențele ε'(ω) și tgδ(ω). ) se numesc rezonante. În cazul polarizării orientative, stabilirea lui P(t) este exponențială, iar dependențele ε'(ω) și tgδ(ω) se numesc relaxare.

Metodele de măsurare a polarizării dielectrice se bazează pe fenomene de interacțiune câmp electromagnetic cu momente dipolare electrice ale particulelor de materie și sunt diferite pentru frecvențe diferite. Majoritatea metodelor la ω ≤ 10 8 Hz se bazează pe procesul de încărcare și descărcare a unui condensator de măsurare umplut cu dielectricul investigat. La frecvențe mai mari, se folosesc metode de ghidare de undă, rezonantă, multifrecvență și alte metode.

În unele dielectrice, de exemplu, feroelectrice, relația proporțională dintre P și Ε [P = ε 0 (ε – 1)E] și, în consecință, între D și E este încălcată chiar și în câmpurile electrice obișnuite realizate în practică. În mod formal, aceasta este descrisă ca dependența ε(Ε) ≠ const. În acest caz, important caracteristica electrica dielectricul este permisivitatea diferenţială:

În dielectricii neliniari, valoarea lui ε diff este de obicei măsurată în câmpuri slabe alternante cu impunerea simultană a unui puternic câmp constant, iar componenta variabilă ε diff se numește permitivitate reversibilă.

Lit. vezi la st. Dielectrice.