В этой статье мы рассмотрим одну из важных физических величин - диэлектрическую проницаемость. Она играет ключевую роль в многих областях техники, включая электронику и электротехнику.
Понимание диэлектрической проницаемости помогает лучше понять работу электрических и магнитных устройств, а также позволяет проектировать и разрабатывать новые электротехнические и электронные устройства. Мы попытаемся объяснить эту концепцию простыми словами, приведем примеры значений диэлектрической проницаемости отдельных сред и основные области ее использования.
Если совсем упростить, то "Диэлектрическая проницаемость" - это физическая величина, которая определяет, насколько хорошо материал пропускает электрический ток.
Если материал имеет высокую диэлектрическую проницаемость, то электрический ток проходит через него плохо, и он является хорошим изолятором. Напротив, материал с низкой диэлектрической проницаемостью пропускает электрический ток лучше, и он является хорошим проводником.
Диэлектрическая проницаемость является ключевым параметром, определяющим поведение электрических и магнитных полей внутри материалов. Она определяет, насколько легко может проникать электричество через материал и как это влияет на поведение электрических и магнитных полей внутри него.
Введение
Любое вещество или тело, окружающее нас, обладает определенными электрическими свойствами. Это объясняется молекулярной и атомной структурой: наличием заряженных частиц, находящихся во взаимно связанном или свободном состоянии.
Когда на вещество не действует никакое внешнее электрическое поле, то эти частицы распределяются так, что уравновешивают друг друга и во всем суммарном объеме не создают дополнительного электрического поля. В случае приложения извне электрической энергии внутри молекул и атомов возникает перераспределение зарядов, которое ведет к созданию собственного внутреннего электрического поля, направленного встречно внешнему.
Если вектор приложенного внешнего поля обозначить «Е0», а внутреннего — «Е'», то полное поле «Е» будет складываться из энергии этих двух величин.
В электричестве принято делить вещества на:
-
проводники;
-
диэлектрики.
Такая классификация существует издавна, хотя она довольно условна потому, что многие тела обладают другими или комбинированными свойствами.
Проводники
В роли проводников выступают среды, имеющие в наличии свободные заряды. Чаще всего проводниками выступают металлы, ведь в их структуре всегда присутствуют свободные электроны, которые способны перемещаться внутри всего объема вещества и, одновременно, являются участниками тепловых процессов.
Когда проводник изолирован от действия внешних электрических полей, то в нем создается баланс положительных и отрицательных зарядов из ионных решеток и свободных электронов. Это равновесие сразу разрушается при внесении проводника в электрическое поле — благодаря энергии которого начинается перераспределение заряженных частиц и возникают несбалансированные заряды положительных и отрицательных величин на внешней поверхности.
Это явление принято называть электростатической индукцией. Возникшие при ней заряды на поверхности металлов именуют индукционными зарядами.
Образованные в проводнике индукционные заряды формируют собственное поле Е', компенсирующее действие внешнего Е0 внутри проводника. Поэтому значение полного, суммарного электростатического поля скомпенсировано и равно 0. При этом потенциалы всех точек как внутри, так и снаружи одинаковы.
Полученный вывод свидетельствует, что внутри проводника, даже при подключенном внешнем поле, отсутствует разность потенциалов и нет электростатических полей. Этот факт используется при экранировании — применении способа электростатической защиты людей и чувствительного к наведенным полям электрооборудования, особенно высокоточных измерительных приборов и микропроцессорной техники.
Экранированная одежда и обувь из тканей с токопроводящими нитями, включая головной убор, используется в энергетике для защиты персонала, работающего в условиях повышенной напряженности, создаваемой высоковольтным оборудованием.
Диэлектрики
Так называют вещества, обладающие изоляционными свойствами. Они имеют в своем составе только связанные между собой, а не свободные заряды. У них все положительные и отрицательные частицы скреплены внутри нейтрального атома, лишены свободы передвижения. Они распределены внутри диэлектрика и не перемещаются под действием приложенного внешнего поля Е0.
Однако, его энергия все же вызывает определенные изменения в структуре вещества — внутри атомов и молекул изменяется соотношение положительных и отрицательных частиц, а на поверхности вещества возникают излишние, несбалансированные связанные заряды, образующие внутреннее электрическое поле Е'. Оно направлено встречно приложенной извне напряженности.
Это явление получило название поляризации диэлектрика. Оно характеризуется тем, что внутри вещества проявляется электрическое поле Е, образованное действием внешней энергии Е0, но ослабленное противодействием внутренней Е'.
Виды поляризации
Она внутри диэлектриков бывает двух видов:
1. ориентационной;
2. электронной.
Первый тип имеет дополнительное название дипольной поляризации. Он присущ диэлектрикам со смещенными центрами у отрицательных и положительных зарядов, которые образуют молекулы из микроскопических диполей — нейтральной совокупности из двух зарядов. Это характерно для воды, диоксида азота, сероводорода.
Без действия внешнего электрического поля у таких веществ молекулярные диполи ориентируются хаотичным образом под влиянием действующих температурных процессов. При этом в любой точке внутреннего объема и на внешней поверхности диэлектрика нет электрического заряда.
Эта картина изменяется под влиянием приложенной извне энергии, когда диполи немного изменяют свою ориентацию и на поверхности возникают области не скомпенсированных макроскопических связанных зарядов, образующих поле Е' со встречным направлением к приложенному Е0.
При такой поляризации большое влияние на процессы оказывает температура, вызывающая тепловое движение и создающая дезориентирующие факторы.
Электронная поляризация, упругий механизм
Она проявляется у неполярных диэлектриков — материалов другого вида с молекулами, лишенными дипольного момента, которые под влияние внешнего поля деформируются так, что положительные заряды ориентируются по направлению вектора Е0, а отрицательные — в противоположную сторону.
В итоге каждая из молекул работает как электрический диполь, сориентированный по оси приложенного поля. Они, таким способом, создают на внешней поверхности свое поле Е' со встречным направлением.
У подобных веществ деформация молекул, а, следовательно, и поляризация от воздействия поля извне не зависит от их движения под влиянием температуры. В качестве примера неполярного диэлектрика можно привести метан СH4.
Численное значение внутреннего поля обоих видов диэлектриков по величине вначале изменяется прямо пропорционально возрастанию внешнего поля, а затем, при достижении насыщения, проявляются эффекты нелинейного характера. Они наступают тогда, когда все молекулярные диполи выстроились вдоль силовых линий у полярных диэлектриков или произошли изменения структуры неполярного вещества, обусловленные сильной деформацией атомов и молекул от большой приложенной извне энергии.
На практике такие случаи возникают редко — обычно раньше наступает пробой или нарушение изоляции.
Диэлектрическая проницаемость
Среди изоляционных материалов важная роль отводится электрическим характеристикам и такому показателю, как диэлектрическая проницаемость. Она может оцениваться двумя различными характеристиками:
1. абсолютным значением;
2. относительной величиной.
Термином абсолютной диэлектрической проницаемости вещества пользуются при обращении к математической записи закона Кулона. Она связывает вектора индукции D и напряженности E.
Вспомним, что французский физик Шарль де Кулон с помощью собственных крутильных весов исследовал закономерности электрических и магнитных сил между небольшими заряженными телами.
Определение относительной диэлектрической проницаемости среды используется для характеристики изоляционных свойств вещества. Она оценивает соотношение силы взаимодействия между двумя точечными зарядами при двух различных условиях: в вакууме и рабочей среде. При этом показатели вакуума принимаются за 1, а у реальных веществ они всегда выше 1.
Численное выражение диэлектрической проницаемости отображается безразмерной величиной, объясняется эффектом поляризации у диэлектриков, используется для оценки их характеристик.
Значения диэлектрической проницаемости отдельных сред (при комнатной температуре)
| Вещество | Диэлектрическая проницаемость | Вещество | Диэлектрическая проницаемость |
| Сегнетова соль | 6000 | Алмаз | 5,7 |
| Рутил (вдоль оптической оси) | 170 | Вода | 81 |
| Полиэтилен | 2,3 | Спирт этиловый | 26,8 |
| Кремний | 12,0 | Слюда | 6 |
| Стекло | 5-16 | Углекислый газ | 1,00099 |
| NaCl | 5,26 | Водяной пар | 1,0126 |
| Бензол | 2,322 | Воздух (760 мм рт. ст.) | 1,00057 |
Применение диэлектрической проницаемости
Диэлектрическая постоянная, также известная как электрическая постоянная или диэлектрическая проницаемость, играет важную роль в многих практических применениях.
Одним из наиболее важных применений является создание диэлектрических материалов. Диэлектрики являются важными компонентами в многих устройствах.
В электротехнике она широко используется при проектировании и строительстве конденсаторов, которые являются важными компонентами в многих электронных устройствах, таких как радио, телевидение и компьютеры.
Емкость конденсатора прямо пропорциональна диэлектрической постоянной материала, используемого как изоляционный слой между пластинами конденсатора.
Другое распространенное применение диэлектрической проницаемости - это проектирование электрических трансформаторов. Используя материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, можно уменьшить размер трансформатора, что сделает его более эффективным и экономически эффективным.
В радиотехнике она используется в качестве параметра для оценки эффективности излучения и приема сигналов.
В телекоммуникационной отрасли диэлектрическая проницаемость материала используется для определения его подходимости для использования в качестве изоляционного слоя в коаксиальных кабелях. Она также играет роль в определении потерь сигнала в этих кабелях.
Диэлектрическая проницаемость также используется в медицинской диагностике, например, в магнитно-резонансной томографии для облегчения визуализации внутренних органов человека.
В целом, диэлектрическая проницаемость имеет широкий спектр практических применений, что делает ее важным параметром во многих различных областях. Будь то электроника, телекоммуникации или медицина, диэлектрическая проницаемость является ценным инструментом, который помогает инженерам и ученым понимать и оптимизировать электрические свойства материалов.
Заключение
Диэлектрическая проницаемость является важным понятием в физике, которое имеет широкое применение в различных областях, таких как электроника, электротехника, телекоммуникации и медицина.
Она важна для понимания, как поведение электрических и магнитных полей влияет на различные материалы и как их можно использовать для решения реальных проблем.
Диэлектрическая проницаемость играет ключевую роль в понимании физических процессов, происходящих внутри материалов, и ее исследование помогает разработать новые технологии, приборы и оборудование.