As cargas interagem entre si em diferentes meios com diferentes forças, determinadas pela lei de Coulomb. As propriedades desses meios são determinadas por uma quantidade chamada permissividade.
Contente
O que é constante dielétrica
De acordo com lei de Coulomb, duas cargas puntiformes fixas q1 e q2 no vácuo interagem entre si com a força dada pela fórmula Fclasse=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), Onde:
- Fclasse é a força de Coulomb, N;
- q1, q2 são módulos de carga, C;
- r é a distância entre cargas, m;
- ε0 - constante elétrica, 8,85 * 10-12 F/m (Farad por metro).
Se a interação não ocorre no vácuo, a fórmula inclui outra quantidade que determina a influência da matéria na força de Coulomb, e a lei de Coulomb é escrita da seguinte forma:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Este valor é denotado pela letra grega ε (épsilon), é adimensional (não possui unidade de medida). A permissividade dielétrica é o coeficiente de atenuação da interação de cargas em uma substância.
Frequentemente em física, a permissividade é usada em conjunto com a constante elétrica, caso em que é conveniente introduzir o conceito de permissividade absoluta. é denotado por εuma e é igual a εuma= ε*e. Neste caso, a permeabilidade absoluta tem a dimensão F/m. A permeabilidade ordinária ε também é chamada de relativa para distingui-la de εuma.
A natureza da permissividade
A natureza da permissividade é baseada no fenômeno da polarização sob a ação de um campo elétrico. A maioria das substâncias são geralmente eletricamente neutras, embora contenham partículas carregadas. Essas partículas estão localizadas aleatoriamente na massa de matéria e seus campos elétricos, em média, se neutralizam.
Nos dielétricos, existem principalmente cargas ligadas (elas são chamadas de dipolos). Esses dipolos convencionalmente representam feixes de duas partículas diferentes, que são orientadas espontaneamente ao longo da espessura do dielétrico e, em média, criam uma força de campo elétrico zero. Sob a ação de um campo externo, os dipolos tendem a se orientar de acordo com a força aplicada. Como resultado, um campo elétrico adicional é criado. Fenômenos semelhantes também ocorrem em dielétricos apolares.
Nos condutores, os processos são semelhantes, só que existem cargas livres, que se separam sob a ação de um campo externo e também criam seu próprio campo elétrico. Este campo é direcionado para o externo, filtra as cargas e reduz a força de sua interação.Quanto maior a capacidade de uma substância de polarizar, maior ε.
Constante dielétrica de várias substâncias
Diferentes substâncias têm diferentes constantes dielétricas. O valor de ε para alguns deles é dado na Tabela 1. É óbvio que esses valores são maiores que a unidade, então a interação de cargas, em comparação com o vácuo, sempre diminui. Deve-se notar também que para o ar ε é ligeiramente maior que a unidade, então a interação de cargas no ar praticamente não difere da interação no vácuo.
Tabela 1. Valores de permeabilidade elétrica para várias substâncias.
| Substância | A constante dielétrica |
|---|---|
| baquelite | 4,5 |
| Papel | 2,0..3,5 |
| Água | 81 (a +20 graus C) |
| Ar | 1,0002 |
| Germânio | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Madeira | 2.7..7.5 (vários graus) |
| Cerâmica de engenharia de rádio | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Vidro | 7 |
| Textolite | 7,5 |
| Poliestireno | 2,5 |
| PVC | 3 |
| Fluoroplasto | 2,1 |
| Âmbar | 2,7 |
Constante dielétrica e capacitância do capacitor
Conhecer o valor de ε é importante na prática, por exemplo, ao criar capacitores elétricos. Eles capacidade depende das dimensões geométricas das placas, da distância entre elas e da permissividade do dielétrico.
Se você precisa obter capacitor capacidade aumentada, então um aumento na área das placas leva a um aumento nas dimensões. Existem também limites práticos para reduzir a distância entre os eletrodos. Nesse caso, o uso de um isolante com constante dielétrica aumentada pode ajudar. Se utilizar um material com ε maior, pode-se multiplicar reduzindo o tamanho das placas ou aumentando a distância entre elas sem perda capacidade elétrica.
Substâncias chamadas ferroelétricas são distinguidas em uma categoria separada, na qual, sob certas condições, ocorre polarização espontânea.Na área em questão, eles são caracterizados por dois pontos:
- grandes valores de permissividade dielétrica (valores típicos - de centenas a vários milhares);
- a capacidade de controlar o valor da constante dielétrica alterando o campo elétrico externo.
Essas propriedades são usadas para a fabricação de capacitores de alta capacidade (devido ao aumento do valor da constante dielétrica do isolador) com pequenos indicadores de peso e tamanho.
Tais dispositivos funcionam apenas em circuitos de corrente alternada de baixa frequência - à medida que a frequência aumenta, sua constante dielétrica diminui. Outra aplicação dos ferroelétricos são os capacitores variáveis, cujas características mudam sob a influência de um campo elétrico aplicado com parâmetros variados.
Constante Dielétrica e Perdas Dielétricas
Além disso, as perdas no dielétrico dependem do valor da constante dielétrica - esta é a parte da energia que é perdida no dielétrico para aquecê-lo. Para descrever essas perdas, geralmente é usado o parâmetro tan δ - a tangente do ângulo de perda dielétrica. Caracteriza a potência das perdas dielétricas em um capacitor, no qual o dielétrico é feito de um material com um tg δ disponível. E a perda de potência específica para cada substância é determinada pela fórmula p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, onde:
- p é a perda de potência específica, W;
- ώ=2*π*f é a frequência circular do campo elétrico;
- E é a intensidade do campo elétrico, V/m.
Obviamente, quanto maior a constante dielétrica, maiores as perdas no dielétrico, todas as outras coisas sendo iguais.
Dependência da permissividade de fatores externos
Deve-se notar que o valor da permissividade depende da frequência do campo elétrico (neste caso, da frequência da tensão aplicada às placas). À medida que a frequência aumenta, o valor de ε diminui para muitas substâncias. Este efeito é pronunciado para dielétricos polares. Este fenômeno pode ser explicado pelo fato de que as cargas (dipolos) deixam de ter tempo para seguir o campo. Para substâncias caracterizadas por polarização iônica ou eletrônica, a dependência da permissividade na frequência é pequena.
Portanto, a seleção de materiais para fazer um dielétrico de capacitor é tão importante. O que funciona em baixas frequências não fornecerá necessariamente um bom isolamento em altas frequências. Na maioria das vezes, dielétricos não polares são usados como isolante em HF.
Além disso, a constante dielétrica depende da temperatura e em diferentes substâncias de maneiras diferentes. Para dielétricos apolares, diminui com o aumento da temperatura. Nesse caso, para capacitores feitos com esse isolador, eles falam de um coeficiente de capacitância de temperatura negativo (TKE) - capacidade diminui com o aumento da temperatura seguindo ε. Para outras substâncias, a permeabilidade aumenta com o aumento da temperatura e podem ser obtidos capacitores com TKE positivo. Ao incluir capacitores com TKE oposto em um par, você pode obter uma capacitância termicamente estável.
Compreender a essência e o conhecimento do valor da permissividade de várias substâncias é importante para fins práticos. E a capacidade de controlar o nível de constante dielétrica fornece perspectivas técnicas adicionais.
Artigos semelhantes:
