Was ist dielektrizitätskonstante

Ladungen interagieren in verschiedenen Medien mit unterschiedlichen Kräften, bestimmt durch das Coulombsche Gesetz. Die Eigenschaften dieser Medien werden durch eine Größe bestimmt, die Permittivität genannt wird.

Was ist dielektrizitätskonstante

Entsprechend Coulomb-Gesetz, zwei Fixpunktladungen q₁ und q₂ im Vakuum interagieren mit der durch die Formel F gegebenen Kraft_Klasse=((1/4)*π*ε)*(|q₁|*|q₂|/r²), wo:

• F_Klasse die Coulomb-Kraft N ist;
• q₁, q₂ sind Ladungsmodule, C;
• r ist der Abstand zwischen Ladungen, m;
• ε₀ - elektrische Konstante, 8,85 * 10^-12 F/m (Farad pro Meter).

Wenn die Wechselwirkung nicht im Vakuum stattfindet, enthält die Formel eine weitere Größe, die den Einfluss der Materie auf die Coulomb-Kraft bestimmt, und das Coulomb-Gesetz lautet wie folgt:

F=((1/4)*π*ε* ε)*(|q₁|*|q₂|/r²).

Dieser Wert wird mit dem griechischen Buchstaben ε (Epsilon) bezeichnet, er ist dimensionslos (hat keine Maßeinheit). Dielektrische Permittivität ist der Dämpfungskoeffizient der Wechselwirkung von Ladungen in einer Substanz.

In der Physik wird die Permittivität oft in Verbindung mit der elektrischen Konstante verwendet, in diesem Fall ist es zweckmäßig, das Konzept der absoluten Permittivität einzuführen. Es wird mit ε bezeichnet_a und ist gleich ε_a= ε*e. Die absolute Permeabilität hat dabei die Dimension F/m. Die gewöhnliche Permeabilität ε wird auch relativ genannt, um sie von ε zu unterscheiden_a.

Die Natur der Permittivität

Die Natur der Permittivität beruht auf dem Phänomen der Polarisation unter Einwirkung eines elektrischen Feldes. Die meisten Substanzen sind im Allgemeinen elektrisch neutral, obwohl sie geladene Teilchen enthalten. Diese Teilchen sind zufällig in der Masse der Materie angeordnet und ihre elektrischen Felder neutralisieren sich im Durchschnitt gegenseitig.

In Dielektrika gibt es hauptsächlich gebundene Ladungen (sie werden Dipole genannt). Diese Dipole stellen herkömmlicherweise Bündel aus zwei unterschiedlichen Teilchen dar, die spontan entlang der Dicke des Dielektrikums orientiert sind und im Durchschnitt eine elektrische Feldstärke von Null erzeugen. Unter Einwirkung eines äußeren Feldes neigen die Dipole dazu, sich entsprechend der angelegten Kraft auszurichten. Dadurch entsteht ein zusätzliches elektrisches Feld. Ähnliche Phänomene treten auch in unpolaren Dielektrika auf.

In Leitern sind die Vorgänge ähnlich, nur gibt es freie Ladungen, die unter Einwirkung eines äußeren Feldes getrennt werden und auch ein eigenes elektrisches Feld erzeugen. Dieses Feld ist nach außen gerichtet, schirmt die Ladungen ab und reduziert die Stärke ihrer Wechselwirkung.Je größer die Polarisationsfähigkeit eines Stoffes ist, desto größer ist ε.

Dielektrizitätskonstante verschiedener Substanzen

Unterschiedliche Substanzen haben unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten. Der Wert von ε für einige von ihnen ist in Tabelle 1 angegeben. Es ist offensichtlich, dass diese Werte größer als Eins sind, sodass die Wechselwirkung von Ladungen im Vergleich zum Vakuum immer abnimmt. Es sollte auch beachtet werden, dass für Luft ε etwas größer als Eins ist, sodass sich die Wechselwirkung von Ladungen in Luft praktisch nicht von der Wechselwirkung im Vakuum unterscheidet.

Tabelle 1. Werte der elektrischen Permeabilität für verschiedene Substanzen.

Dielektrizitätskonstante und Kapazität des Kondensators

Die Kenntnis des Wertes von ε ist in der Praxis wichtig, beispielsweise beim Erstellen von elektrischen Kondensatoren. Sie Kapazität hängt von den geometrischen Abmessungen der Platten, dem Abstand zwischen ihnen und der Permittivität des Dielektrikums ab.

Wenn Sie bekommen müssen Kondensator erhöhte Kapazität, dann führt eine Vergrößerung der Plattenfläche zu einer Vergrößerung der Abmessungen. Auch der Verringerung des Abstands zwischen den Elektroden sind praktische Grenzen gesetzt. In diesem Fall kann die Verwendung eines Isolators mit erhöhter Dielektrizitätskonstante Abhilfe schaffen. Wenn Sie ein Material mit einem höheren ε verwenden, können Sie die Größe der Platten um ein Vielfaches verringern oder den Abstand zwischen ihnen ohne Verlust vergrößern elektrische Kapazität.

Als Ferroelektrika bezeichnete Substanzen werden in eine separate Kategorie eingeteilt, bei der unter bestimmten Bedingungen eine spontane Polarisation auftritt.Sie zeichnen sich im betrachteten Bereich durch zwei Punkte aus:

• große Werte der Dielektrizitätskonstante (typische Werte - von Hunderten bis zu mehreren Tausend);
• die Fähigkeit, den Wert der Dielektrizitätskonstante durch Änderung des externen elektrischen Felds zu steuern.

Diese Eigenschaften werden zur Herstellung von Kondensatoren mit hoher Kapazität (aufgrund des erhöhten Werts der Dielektrizitätskonstante des Isolators) mit kleinen Gewichts- und Größenindikatoren verwendet.

Solche Geräte funktionieren nur in niederfrequenten Wechselstromkreisen - mit zunehmender Frequenz nimmt ihre Dielektrizitätskonstante ab. Eine weitere Anwendung von Ferroelektrika sind variable Kondensatoren, deren Eigenschaften sich unter dem Einfluss eines angelegten elektrischen Feldes mit variierenden Parametern ändern.

Dielektrizitätskonstante und dielektrische Verluste

Außerdem hängen Verluste im Dielektrikum vom Wert der Dielektrizitätskonstante ab - das ist der Teil der Energie, der im Dielektrikum verloren geht, um es zu erhitzen. Zur Beschreibung dieser Verluste wird üblicherweise der Parameter tan δ verwendet - der Tangens des dielektrischen Verlustwinkels. Sie charakterisiert die Leistung der dielektrischen Verluste in einem Kondensator, bei dem das Dielektrikum aus einem Material mit verfügbarem tg δ besteht. Und die spezifische Verlustleistung für jede Substanz wird durch die Formel p=E bestimmt²*ώ*ε*ε*tg δ, wobei:

• p ist die spezifische Verlustleistung, W;
• ώ=2*π*f ist die Kreisfrequenz des elektrischen Feldes;
• E ist die elektrische Feldstärke, V/m.

Offensichtlich sind die Verluste im Dielektrikum umso höher, je höher die Dielektrizitätskonstante ist, wenn alle anderen Dinge gleich sind.

Abhängigkeit der Permittivität von äußeren Faktoren

Es ist zu beachten, dass der Wert der Permittivität von der Frequenz des elektrischen Feldes abhängt (in diesem Fall von der Frequenz der an die Platten angelegten Spannung). Mit zunehmender Frequenz nimmt der Wert von ε für viele Substanzen ab. Dieser Effekt ist bei polaren Dielektrika ausgeprägt. Dieses Phänomen kann dadurch erklärt werden, dass die Ladungen (Dipole) keine Zeit mehr haben, dem Feld zu folgen. Bei Stoffen, die durch ionische oder elektronische Polarisation gekennzeichnet sind, ist die Abhängigkeit der Permittivität von der Frequenz gering.

Daher ist die Auswahl von Materialien zur Herstellung eines Kondensatordielektrikums so wichtig. Was bei niedrigen Frequenzen funktioniert, bietet nicht unbedingt eine gute Isolierung bei hohen Frequenzen. Am häufigsten werden bei HF unpolare Dielektrika als Isolator verwendet.

Auch die Dielektrizitätskonstante hängt von der Temperatur ab, und zwar in verschiedenen Substanzen auf unterschiedliche Weise. Bei unpolaren Dielektrika nimmt sie mit steigender Temperatur ab. In diesem Fall sprechen sie für Kondensatoren, die mit einem solchen Isolator hergestellt wurden, von einem negativen Temperaturkoeffizienten der Kapazität (TKE) - Kapazität nimmt mit steigender Temperatur nach ε ab. Bei anderen Substanzen steigt die Permeabilität mit zunehmender Temperatur, und es können Kondensatoren mit positivem TKE erhalten werden. Indem Kondensatoren mit entgegengesetztem TKE in einem Paar enthalten sind, können Sie eine thermisch stabile Kapazität erhalten.

Das Verständnis des Wesens und die Kenntnis des Wertes der Permittivität verschiedener Substanzen ist für praktische Zwecke wichtig. Und die Möglichkeit, das Niveau der Dielektrizitätskonstante zu steuern, bietet zusätzliche technische Perspektiven.

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