Stała dielektryczna: co to jest, wzór, tabela - Asutpp

• Proste wyjaśnienie
• Przenikalność próżni
• Prawo Coulomba i potencjał elektryczny
• Stała dielektryczna: przypadek ogólny
• Względne przenikalności poszczególnych materiałów
• Lista piśmiennictwa

Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

W tym artykule omówimy najważniejsze rzeczy związane ze stałą dielektryczną. Dowiesz się między innymi o ważnych rolach, jakie odgrywa i typowych dla niej znaczeniach.

Proste wyjaśnienie

W życiu codziennym spotykasz się z różnymi substancjami takimi jak metale, woda czy tlen. Każda z tych substancji inaczej reaguje na pola elektryczne.

Stała dielektryczna (stała dielektryczna lub przenikalność bezwzględna) ε opisuje zdolność materiału do polaryzacji przez pola elektryczne i jest zdefiniowana następująco: ε=ε_rε_0.

Tutaj ε_rto przepuszczalność względna, a ε_{0 to stała elektryczna (lub przenikalność próżni).}

Jeśli rozumieć dosłownie znaczenie terminu "przepuszczalność" , wówczas jest to miara tego, ile materii "przechodzi" przez pole elektryczne. Dlatego przepuszczalność można traktować jako miarę tego, ile materii można spolaryzować.

Przenikalność próżni

Przenikalność próżni (zwana też przenikalnością próżniową) odgrywa szczególną rolę. W tej sekcji opowiemy Ci o znaczeniu i jednostkach przepuszczalności próżni, jak odnosi się ona do innych stałych oraz o jej znaczeniu w kontekście innych ważnych praw.

Wartość liczbowa i jednostka miary

Przenikalność próżni ε₀wynosi 8,8541878176203910^-12lub 8,8510^-12, co jest bardziej praktyczne w obliczeniach.Jednostką stałej jest [ F m⁻¹] lub wyrażona w podstawowych jednostkach SI [ m⁻³kg^{− 1}c⁴A^{2 ].}

Związek z innymi stałymi

Istnieje wspaniały związek między stałą elektryczną ε₀, stałą magnetyczną μ‎₀i prędkością światła w próżni c₀. Oznacza to, że prawdziwa jest następująca relacja: c₀²=1 / ε₀μ‎_{0 .}

Do 2019 r. równanie to dokładnie określało wartość stałej pola elektrycznego. Jednak podczas rewizji sytuacja uległa zmianie i od 20 maja 2019 r. zarówno stała elektryczna, jak i stała magnetyczna mają pewien błąd pomiaru.

To równanie było pierwszą wskazówką, że światło może być falą elektromagnetyczną.

Prawo Coulomba i potencjał elektryczny

Poza tym, że jest związana z prędkością światła, stała elektryczna pojawia się w innych ważnych prawach elektrodynamiki. Należą do nich np.:

• Prawo Coulomba:

• Potencjał elektryczny naładowanej cząstki : φ ( r )=q / 4πε_{0r .}

W szczególności prawo Coulomba jest podstawą elektrostatyki, więc stała pola elektrycznego również ma ogromne znaczenie.

Stała dielektryczna: przypadek ogólny

W tej sekcji rozważymy przypadek ogólny. Wyjaśnimy fizyczne znaczenie przenikalności absolutnej za pomocą materiałów elektroizolacyjnych i wyjaśnimy, czym jest przenikalność względna.

Przenikalność dielektryczna dielektryków

W materiałach elektroizolacyjnych (dielektrykach) ładunki elektryczne są związane z atomami lub cząsteczkami. Dlatego mogą poruszać się tylko nieznacznie w atomach lub cząsteczkach. Pole elektryczne może zmienić rozkład ładunku w dielektryku na dwa ważne sposoby: deformację i rotację.Nawet jeśli poszczególne ładunki elektryczne mogą nieznacznie się poruszać, całość wszystkich ruchów określa zachowanie materiału elektroizolacyjnego.

Polaryzacja

W zależności od tego, czy materiał składa się z cząsteczek polarnych czy niepolarnych, reakcja na zewnętrzne pole elektryczne jest różna. W przypadku cząsteczki niepolarnej następuje rozciąganie (odkształcenie), w którym pole indukuje moment dipolowy w każdej cząsteczce materiału. Wszystkie te momenty dipolowe wskazują ten sam kierunek co pole elektryczne.

Z drugiej strony w cząsteczce polarnej następuje rotacja, więc tutaj znowu wszystkie momenty dipolowe są skierowane w stronę pola elektrycznego. Ogólnie rzecz biorąc, zewnętrzne pole elektryczne powoduje tworzenie się w materiale dużej liczby dipoli, z których wszystkie są zorientowane w tym samym kierunku, co pole zewnętrzne. W ten sposób materiał jest spolaryzowany. Polaryzacja P opisuje, ile momentów dipolowych przypada na jednostkę objętości materiału.

Stała dielektryczna dielektryków

Tak więc polaryzacja dielektryka jest spowodowana polem elektrycznym. Z kolei pojawiające się kierunkowe momenty dipolowe tworzą pole elektryczne, które przeciwstawia się polu zewnętrznemu. Zatem to przeciwne pole osłabia pole zewnętrzne. Ogólnie rzecz biorąc, związek między polaryzacją a zewnętrznym polem elektrycznym jest złożony. Dla wielu substancji, tzw. dielektryków liniowych, polaryzacja jest proporcjonalna do pola. Obowiązuje następujący stosunek:

P=ε_{0χE , gdzie}

Tutaj ε_{0 to stała elektryczna, a χ to polaryzowalność elektryczna. Pole elektryczne E w tym równaniu jest polem całkowitym. Dlatego powodem tego mogą być częściowo ładunki swobodne, a częściowo sama polaryzacja.Ładunki swobodne to wszystkie te nośniki ładunku, które nie są wynikiem polaryzacji. Zatem to całkowite pole elektryczne jest bardzo trudne do obliczenia, ponieważ zwykle nie mamy informacji o rozkładzie ładunków polaryzacyjnych.}

Dla porównania: χ jest współczynnikiem zależnym od składu chemicznego, stężenia, struktury (w tym stanu skupienia) ośrodka, temperatury, naprężeń mechanicznych itp. (silniej na niektórych czynnikach, słabiej na innych, oczywiście i w zależności od zakresu zmian każdego z nich) i zwana polaryzowalnością (elektryczną) (a częściej, przynajmniej w przypadku, gdy wyraża się ją skalarem - podatnością dielektryczną) danego ośrodka.

Wikipedia

Indukcja elektryczna

Aby móc obliczyć natężenie pola elektrycznego nawet w obecności dielektryka, wprowadza się indukcję elektryczną D. W ośrodku liniowym: D=ε₀E + P=ε₀E + ε₀χ_eE=ε₀( 1 + χ_{e )E, więc D jest również proporcjonalne do E.}

Jeśli połączysz ze sobą stałe ε=ε₀( 1 + χ_{e ), otrzymasz: D=εE}

Stała ε nazywana jest przenikalnością.

Względna przenikalność

Wartość: ε_r=1 + χ_e=ε / ε₀jest wywoływana względna przepuszczalność (również względna przenikalność). Za jego pomocą całkowite pole elektryczne w obecności dielektryka określa się w następujący sposób:

Przy stałej indukcji elektrycznej względna przepuszczalność określa zatem stopień osłabienia pola elektrycznego. Im większa względna przepuszczalność, tym bardziej pole elektryczne jest osłabiane, aw konsekwencji ogólna siła pola elektrycznego maleje.

Termin przepuszczalność względna może prowadzić do nieporozumienia, że przepuszczalność względna dla danego materiału jest stała. W rzeczywistości względna przepuszczalność zależy od wielu czynników. Wśród nich:

• temperatura materiału;
• częstotliwość zewnętrznego pola elektrycznego;
• natężenie zewnętrznego pola elektrycznego.

W przypadku niektórych materiałów względna przepuszczalność zależy dodatkowo od kierunku. Dlatego w przypadku takich materiałów nie jest to tylko liczba, ale często tensor drugiego rzędu.

Szczególnie czytelną ilustrację wpływu dielektryków o różnej przenikalności względnej można uzyskać umieszczając dielektryk między dwoma okładkami kondensatora. Jeśli zmierzymy napięcie na kondensatorze przed i po wprowadzeniu dielektryka, to stwierdzimy, że napięcie na kondensatorze spada dokładnie o wartość względnej przenikalności elektrycznej ε_r. Wynika to bezpośrednio z równania: E=U/d dla wielkości pola elektrycznego między okładkami kondensatora oddalonymi od siebie o d. Ilustruje to również, dlaczego ε_rnazywa się przepuszczalnością względną.Napięcie na kondensatorze zmniejsza się o współczynnik ε_{r dzięki wprowadzeniu dielektryka, w porównaniu do przypadku, gdy pomiędzy okładkami jest tylko próżnia.}

Względne przenikalności poszczególnych materiałów

Na koniec podajemy tabelę z typowymi wartościami przenikalności względnej (względnej przenikalności) różnych materiałów. Należy zauważyć, że takie tabele zwykle wskazują przenikalność względną, a nie samą przenikalność bezwzględną. Dlatego jeśli szukasz tabeli do określenia bezwzględnej przenikalności pewnego materiału, musisz pamiętać, że podana tam wartość nie jest bezpośrednio przenikalnością elektryczną, której szukasz. Jednak dla danej wartości przenikalności względnej odpowiednią przenikalność bezwzględną można obliczyć bez większego wysiłku. Oznacza to, że musisz zastosować znaną nam już następującą formułę: ε=ε_rε_{0 .}

50 Hz)

Substancja	εr
Odkurzacz	dokładnie 1
Hel	1.000065
Miedź	5,6
Powietrze (suchy)	1,00059
Metanol	32.6
Papier	1 - 4
Woda ( 20°C, 0 - 3 GHz )	80
Woda ( 0°C, 0 - 1 GHz )	88

W poprzedniej sekcji wspomnieliśmy, że przepuszczalność względna zależy między innymi od temperatury i częstotliwości.Dlatego ważne jest, aby znać zarówno temperaturę, jak i częstotliwość, jeśli chcesz uzyskać wartość z tabeli. Na przykład względna przepuszczalność wody w temperaturze 20°C i częstotliwości 0 GHz wynosi 80. Jeśli temperatura wynosi 0°C i częstotliwość jest taka sama, względna przepuszczalność wody wynosi 88. Z drugiej strony miedź ma względną przepuszczalność 5,6. Oznacza to, że woda jako medium obniży napięcie na kondensatorze 80-krotnie, podczas gdy miedź zmniejszy je tylko 5,6-krotnie.

Lista piśmiennictwa

Kurs fizyki dla FMS w JSW, sekcja „Pole elektromagnetyczne”, rozdz. 2: „Dielektryki”.
1. Feynman R., Layton R., Sands M. Feynman Wykłady z fizyki. - M.: Mir, 1965.
2. Sivukhin DV Ogólny kurs fizyki. - M - T. III. Elektryczność.
3. Goldshtein LD, Zernov NV Pola elektromagnetyczne i fale. M.: Sow. radio, 1971. S. 11.

Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!