Что такое диэлектрическая проницаемость

Заряды взаимодействуют друг с другом в различных средах с различной силой, определяемой законом Кулона. Свойства этих сред определяет величина, называемая диэлектрической проницаемостью.

Что такое диэлектрическая проницаемость

Согласно закону Кулона, два точечных неподвижных заряда q₁ и q₂ в вакууме взаимодействуют между собой с силой, заданной формулой F_кл=((1/4)*π* ε₀)*(|q₁|*|q₂|/r²), где:

• F_кл – сила Кулона, Н;
• q₁, q₂ – модули зарядов, Кл;
• r – расстояние между зарядами, м;
• ε₀ – электрическая постоянная, 8,85*10^-12 Ф/м (Фарад на метр).

Если взаимодействие происходит не в вакууме, в формулу входит ещё одна величина, определяющая влияние вещества на силу Кулона, и запись закона Кулона выглядит так:

F=((1/4)*π* ε₀* ε)*(|q₁|*|q₂|/r²).

Эта величина обозначается греческой буквой ε (эпсилон), она безразмерна (не имеет единицы измерения). Диэлектрическая проницаемость является коэффициентом ослабления взаимодействия зарядов в веществе.

Часто в физике диэлектрическая проницаемость используется совместно с электрической постоянной, в этом случае удобно ввести понятие абсолютной диэлектрической проницаемости. Она обозначается ε_a и равна ε_a= ε₀* ε. В этом случае абсолютная проницаемость имеет размерность Ф/м. Обычную проницаемость ε также называют относительной, чтобы отличить ее от ε_a.

Природа диэлектрической проницаемости

В основе природы диэлектрической проницаемости лежит явление поляризации под действием электрического поля. Большинство веществ в целом электрически нейтральны, хотя и содержат заряженные частицы. Эти частицы расположены в массе вещества хаотично и их электрические поля в среднем нейтрализуют друг друга.

В диэлектриках находятся, в основном связанные заряды (их называют диполями). Эти диполи условно представляют собой связки из двух разноименных частиц, которые по толщине диэлектрика ориентированы спонтанно и в среднем создают нулевую напряженность электрического поля. Под действием внешнего поля диполи стремятся сориентироваться согласно приложенной силе. В результате создается дополнительное электрическое поле. Сходные явления происходят и в неполярных диэлектриках.

В проводниках процессы похожие, только там имеются свободные заряды, которые под действием внешнего поля разделяются и также создают собственное электрическое поле. Это поле направлено навстречу внешнему, экранирует заряды и снижает силу их взаимодействия. Чем больше способность вещества к поляризации, тем выше ε.

Диэлектрическая проницаемость различных веществ

Разные вещества имеют различную диэлектрическую проницаемость. Значение ε для некоторых из них приведено в таблице 1. Очевидно, что эти значения больше единицы, поэтому взаимодействие зарядов, по сравнению с вакуумом, всегда уменьшается. Также надо заметить, что для воздуха ε немногим более единицы, поэтому взаимодействие зарядов в воздухе практически не отличается от взаимодействия в вакууме.

Таблица 1. Значения электрической проницаемости для различных веществ.

Диэлектрическая проницаемость и ёмкость конденсатора

Знание величины ε на практике важно, например, при создании электрических конденсаторов. Их ёмкость зависит от геометрических размеров обкладок, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Если надо получить конденсатор повышенной ёмкости, то увеличение площади обкладок ведет к увеличению габаритов. На уменьшение расстояния между электродами также имеются практические ограничения. В этом случае может помочь применение изолятора с увеличенной диэлектрической проницаемостью. Если применить материал с более высоким ε, можно кратно уменьшить размер обкладок или увеличить расстояние между ними без потерь электрической ёмкости.

В отдельную категорию выделяют вещества, называемые сегнетоэлектриками, у которых при определенных условиях возникает спонтанная поляризация. В рассматриваемой области для них характерны два момента:

• большие значения диэлектрической проницаемости (характерные значения — от сотен до нескольких тысяч);
• возможность управлять величиной диэлектрической проницаемости путем изменения внешнего электрического поля.

Эти свойства используются для изготовления конденсаторов большой ёмкости (за счёт увеличенных значение диэлектрической проницаемости изолятора) с небольшими массогабаритными показателями.

Такие устройства работают только в низкочастотных цепях переменного тока – при увеличении частоты их диэлектрическая проницаемость падает. Другое применение сегнетоэлектриков – конденсаторы переменной ёмкости, чьи характеристики меняются под действием приложенного электрического поля с изменяющимися параметрами.

Диэлектрическая проницаемость и потери в диэлектрике

Также от значения диэлектрической проницаемости зависят потери в диэлектрике – это та часть энергии, которая теряется в диэлектрике на его нагрев. Для описания этих потерь обычно применяется параметр tg δ – тангенс угла диэлектрических потерь. Он характеризует мощность диэлектрических потерь в конденсаторе, у которого диэлектрик изготовлен из материала с имеющимся tg δ. А удельная мощность потерь для каждого вещества определяется формулой p=E²*ώ*ε₀*ε*tg δ, где:

• p – удельная мощность потерь, Вт;
• ώ=2*π*f – круговая частота электрического поля;
• E – напряженность электрического поля, В/м.

Очевидно, что чем выше диэлектрическая проницаемость, тем выше потери в диэлектрике при прочих равных условиях.

Зависимость диэлектрической проницаемости от сторонних факторов

Следует заметить, что значение диэлектрической проницаемости зависит от частоты электрического поля (в данном случае – от частоты напряжения, приложенного к обкладкам). С ростом частоты значение ε у многих веществ падает. Этот эффект ярко выражен для полярных диэлектриков. Объяснить это явление можно тем, что заряды (диполи) перестают успевать следовать за полем. У веществ, для которых характерна ионная или электронная поляризация, зависимость диэлектрической проницаемости от частоты мала.

Поэтому так важен подбор материалов для выполнения диэлектрика конденсатора. То, что работает на низких частотах, не обязательно позволит получить качественную изоляцию на высоких. Чаще всего на ВЧ в качестве изолятора применяют неполярные диэлектрики.

Также диэлектрическая проницаемость зависит от температуры, причем у разных веществ по-разному. У неполярных диэлектриков она падает с ростом температуры. В этом случае для конденсаторов, выполненных с применением такого изолятора, говорят об отрицательном температурном коэффициенте ёмкости (ТКЕ) – ёмкость с ростом температуры падает вслед за ε. У других веществ проницаемость с ростом температуры увеличивается, и можно получить конденсаторы с положительным ТКЕ. Включив в пару конденсаторы с противоположными ТКЕ, можно получить термостабильную ёмкость.

Понимание сущности и знание значения диэлектрической проницаемости различных веществ важно для практических целей. А возможность управлять уровнем диэлектрической проницаемости даёт дополнительные технические перспективы.

Закон Кулона, определение и формула — электрические точечные заряды и их взаимодействие

Что такое электрическая ёмкость, в чём измеряется и от чего зависит

Что такое конденсатор, где применяется и для чего нужен

Магнитное поле: источники, свойства, характеристики и применение

Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение

В чём отличие проводников от диэлектриков, их свойства и сфера применения