ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกคืออะไร

ประจุมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันในสื่อต่างๆ ด้วยพลังที่แตกต่างกัน ซึ่งกำหนดโดยกฎของคูลอมบ์ คุณสมบัติของสื่อเหล่านี้ถูกกำหนดโดยปริมาณที่เรียกว่าการอนุญาติ

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกคืออะไร

ตาม กฎของคูลอมบ์, ประจุคงที่สองจุด q₁ และ q₂ ในสุญญากาศจะมีปฏิกิริยาต่อกันด้วยแรงที่กำหนดโดยสูตร F_{ระดับ}=((1/4)*π*ε)*(|q₁|*|q₂|/r²), ที่ไหน:

• F_{ระดับ} คือแรงคูลอมบ์ N;
• q₁, q₂ เป็นโมดูลการชาร์จ C;
• r คือระยะห่างระหว่างประจุ m;
• ε₀ - ค่าคงที่ทางไฟฟ้า 8.85 * 10^-12 F/m (ฟารัดต่อเมตร)

หากปฏิสัมพันธ์ไม่ได้เกิดขึ้นในสุญญากาศ สูตรจะรวมปริมาณอื่นที่กำหนดอิทธิพลของสสารที่มีต่อแรงคูลอมบ์ และกฎของคูลอมบ์เขียนไว้ดังนี้:

F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q₁|*|q₂|/r²).

ค่านี้แสดงด้วยตัวอักษรกรีก ε (epsilon) ซึ่งไม่มีมิติ (ไม่มีหน่วยวัด) การอนุญาติอิเล็กทริกเป็นค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนปฏิกิริยาของประจุในสาร

บ่อยครั้งในฟิสิกส์ การอนุญาติให้ถูกใช้ร่วมกับค่าคงที่ทางไฟฟ้า ซึ่งในกรณีนี้ เป็นการสะดวกที่จะแนะนำแนวคิดของการอนุญาติแบบสัมบูรณ์ มันเขียนแทนโดยε_เอ และมีค่าเท่ากับ ε_เอ= ε*จ. ในกรณีนี้ การซึมผ่านสัมบูรณ์จะมีมิติ F/m การซึมผ่านทั่วไป ε เรียกอีกอย่างว่าสัมพันธ์เพื่อแยกความแตกต่างจาก ε_เอ.

ลักษณะของการอนุญาติ

ธรรมชาติของการยอมให้อยู่บนพื้นฐานของปรากฏการณ์โพลาไรเซชันภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า สารส่วนใหญ่มักจะเป็นกลางทางไฟฟ้า แม้ว่าจะมีอนุภาคที่มีประจุอยู่ก็ตาม อนุภาคเหล่านี้ตั้งอยู่แบบสุ่มในมวลของสสารและสนามไฟฟ้าของพวกมันโดยเฉลี่ยทำให้เป็นกลางซึ่งกันและกัน

ในไดอิเล็กทริกมีประจุที่ถูกผูกไว้เป็นส่วนใหญ่ (เรียกว่าไดโพล) ไดโพลเหล่านี้ตามอัตภาพจะเป็นตัวแทนของการรวมกลุ่มของอนุภาคสองชนิดที่ไม่เหมือนกัน ซึ่งมีการวางแนวตามธรรมชาติตามความหนาของอิเล็กทริก และโดยเฉลี่ยแล้วจะสร้างความแรงของสนามไฟฟ้าเป็นศูนย์ ภายใต้การกระทำของสนามภายนอก ไดโพลมีแนวโน้มที่จะปรับทิศทางตัวเองตามแรงที่ใช้ เป็นผลให้มีการสร้างสนามไฟฟ้าเพิ่มเติม ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันยังเกิดขึ้นในไดอิเล็กทริกแบบไม่มีขั้ว

ในตัวนำ กระบวนการจะคล้ายคลึงกัน มีเพียงประจุไฟฟ้าฟรีซึ่งถูกแยกออกจากสนามภายนอกและสร้างสนามไฟฟ้าของตัวเอง ช่องนี้มุ่งตรงไปยังช่องภายนอก คัดกรองประจุและลดความแรงของการโต้ตอบยิ่งความสามารถของสารในการโพลาไรซ์มากเท่าไหร่ ε ก็จะยิ่งสูงขึ้น

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของสารต่างๆ

สารต่าง ๆ มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่างกัน ค่าของ ε สำหรับบางส่วนแสดงไว้ในตารางที่ 1 เห็นได้ชัดว่าค่าเหล่านี้มีค่ามากกว่าความสามัคคี ดังนั้นปฏิสัมพันธ์ของประจุเมื่อเปรียบเทียบกับสุญญากาศจะลดลงเสมอ ควรสังเกตด้วยว่าสำหรับอากาศ ε มีค่ามากกว่าความสามัคคีเล็กน้อย ดังนั้นปฏิกิริยาของประจุในอากาศจึงไม่แตกต่างจากปฏิกิริยาในสุญญากาศ

ตารางที่ 1. ค่าการซึมผ่านของไฟฟ้าสำหรับสารต่างๆ

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและความจุของตัวเก็บประจุ

การรู้ค่าของ ε เป็นสิ่งสำคัญในทางปฏิบัติ ตัวอย่างเช่น เมื่อสร้างตัวเก็บประจุไฟฟ้า พวกเขา ความจุ ขึ้นอยู่กับขนาดทางเรขาคณิตของเพลต ระยะห่างระหว่างพวกมัน และการอนุญาติของไดอิเล็กตริก

หากคุณต้องการที่จะได้รับ ตัวเก็บประจุ ความจุที่เพิ่มขึ้นจากนั้นการเพิ่มพื้นที่ของเพลตจะทำให้มีขนาดเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ยังมีข้อจำกัดในทางปฏิบัติในการลดระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด ในกรณีนี้ การใช้ฉนวนที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเพิ่มขึ้นสามารถช่วยได้ หากคุณใช้วัสดุที่มี ε สูงกว่า คุณสามารถเพิ่มขนาดของเพลตหรือเพิ่มระยะห่างระหว่างจานได้โดยไม่สูญเสีย ความจุไฟฟ้า.

สารที่เรียกว่าเฟอร์โรอิเล็กทริกนั้นแบ่งออกเป็นหมวดหมู่แยกต่างหากซึ่งภายใต้เงื่อนไขบางประการจะเกิดโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองในด้านที่พิจารณา มีลักษณะ ๒ ประการ คือ

• ค่าการอนุญาตไดอิเล็กทริกขนาดใหญ่ (ค่าทั่วไป - จากหลายร้อยถึงหลายพัน);
• ความสามารถในการควบคุมค่าคงที่ไดอิเล็กตริกโดยการเปลี่ยนสนามไฟฟ้าภายนอก

คุณสมบัติเหล่านี้ใช้สำหรับการผลิตตัวเก็บประจุที่มีความจุสูง (เนื่องจากค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของฉนวนที่เพิ่มขึ้น) ด้วยตัวบ่งชี้น้ำหนักและขนาดที่เล็ก

อุปกรณ์ดังกล่าวทำงานในวงจรกระแสสลับความถี่ต่ำเท่านั้น - เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกจะลดลง การประยุกต์ใช้เฟอร์โรอิเล็กทริกอีกแบบหนึ่งคือตัวเก็บประจุแบบแปรผันซึ่งคุณลักษณะจะเปลี่ยนภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าที่ใช้กับพารามิเตอร์ที่แตกต่างกัน

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและการสูญเสียไดอิเล็กตริก

นอกจากนี้การสูญเสียอิเล็กทริกยังขึ้นอยู่กับค่าของค่าคงที่ไดอิเล็กตริก - นี่เป็นส่วนหนึ่งของพลังงานที่สูญเสียไปในอิเล็กทริกเพื่อให้ความร้อน เพื่ออธิบายความสูญเสียเหล่านี้ มักใช้พารามิเตอร์ tan δ - แทนเจนต์ของมุมการสูญเสียอิเล็กทริก มันอธิบายลักษณะพลังของการสูญเสียอิเล็กทริกในตัวเก็บประจุซึ่งไดอิเล็กตริกทำจากวัสดุที่มี tg δ และการสูญเสียพลังงานจำเพาะของสารแต่ละชนิดถูกกำหนดโดยสูตร p=E²*ώ*ε*ε*tg δ โดยที่:

• p คือการสูญเสียพลังงานจำเพาะ W;
• ώ=2*π*f คือความถี่วงกลมของสนามไฟฟ้า
• E คือความแรงของสนามไฟฟ้า V/m

เห็นได้ชัดว่า ยิ่งค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูงเท่าใด การสูญเสียในไดอิเล็กตริกก็จะยิ่งสูงขึ้น สิ่งอื่น ๆ ทั้งหมดจะเท่ากัน

การพึ่งพาอาศัยปัจจัยภายนอก

ควรสังเกตว่าค่าของการอนุญาติให้ขึ้นอยู่กับความถี่ของสนามไฟฟ้า (ในกรณีนี้ ขึ้นกับความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับเพลต) เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ค่า ε จะลดลงสำหรับสารหลายชนิด เอฟเฟกต์นี้ออกเสียงสำหรับไดอิเล็กทริกแบบมีขั้ว ปรากฏการณ์นี้สามารถอธิบายได้ด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าประจุ (ไดโพล) หมดเวลาตามสนาม สำหรับสารที่มีลักษณะเฉพาะโดยโพลาไรซ์แบบไอออนิกหรือแบบอิเล็กทรอนิกส์ การพึ่งพาความถี่อนุญาตมีน้อย

ดังนั้นการเลือกวัสดุสำหรับทำตัวเก็บประจุแบบไดอิเล็กตริกจึงมีความสำคัญมาก สิ่งที่ทำงานที่ความถี่ต่ำไม่จำเป็นต้องให้การแยกที่ดีที่ความถี่สูง ส่วนใหญ่มักใช้ไดอิเล็กทริกแบบไม่มีขั้วเป็นฉนวนที่ HF

นอกจากนี้ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและในสารต่างๆ ในรูปแบบต่างๆ สำหรับไดอิเล็กทริกแบบไม่มีขั้ว จะลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ในกรณีนี้สำหรับตัวเก็บประจุที่ทำโดยใช้ฉนวนดังกล่าวจะพูดถึงค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบของความจุ (TKE) - ความจุ ลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นตาม ε สำหรับสารอื่นๆ การซึมผ่านจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และสามารถรับตัวเก็บประจุที่มีค่า TKE บวกได้ การรวมตัวเก็บประจุที่มี TKE ตรงข้ามกันเป็นคู่ คุณจะได้ความจุที่เสถียรทางความร้อน

การทำความเข้าใจสาระสำคัญและความรู้เกี่ยวกับคุณค่าของการอนุญาติของสารต่างๆ เป็นสิ่งสำคัญสำหรับวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติ และความสามารถในการควบคุมระดับของค่าคงที่ไดอิเล็กตริกยังให้มุมมองทางเทคนิคเพิ่มเติมอีกด้วย

บทความที่คล้ายกัน: