تتفاعل الشحنات مع بعضها البعض في وسائط مختلفة بقوى مختلفة ، يحددها قانون كولوم. يتم تحديد خصائص هذه الوسائط بكمية تسمى السماحية.
محتوى
ما هو ثابت العزل
وفق قانون كولوم، اثنين من رسوم النقطة الثابتة q1 و q2 في الفراغ تتفاعل مع بعضها البعض بالقوة المعطاة بواسطة الصيغة Fصف دراسي= ((1/4) * π * ε) * (| q1| * | ف2| / ص2)، أين:
- Fصف دراسي هي قوة كولوم ، N ؛
- ف1، ف2 هي وحدات الشحن ، C ؛
- ص هي المسافة بين الشحنات ، م ؛
- ε0 - ثابت كهربائي ، 8.85 * 10-12 F / م (فاراد لكل متر).
إذا لم يحدث التفاعل في فراغ ، فإن الصيغة تتضمن كمية أخرى تحدد تأثير المادة على قوة كولوم ، ويتم كتابة قانون كولوم على النحو التالي:
F = ((1/4) * π * ε* ε) * (| q1| * | ف2| / ص2).
يُشار إلى هذه القيمة بالحرف اليوناني ε (إبسيلون) ، وهي بلا أبعاد (لا تحتوي على وحدة قياس). السماحية العازلة هي معامل التوهين لتفاعل الشحنات في مادة ما.
غالبًا في الفيزياء ، تُستخدم السماحية بالاقتران مع الثابت الكهربائي ، وفي هذه الحالة يكون من الملائم إدخال مفهوم السماحية المطلقة. يتم الإشارة إليه بواسطة εأ ويساوي εأ= ε* ه. في هذه الحالة ، النفاذية المطلقة لها البعد F / m. النفاذية العادية ε تسمى أيضًا نسبيًا لتمييزها عن εأ.
طبيعة السماحية
تعتمد طبيعة السماحية على ظاهرة الاستقطاب تحت تأثير المجال الكهربائي. معظم المواد محايدة كهربائيًا بشكل عام ، على الرغم من احتوائها على جزيئات مشحونة. توجد هذه الجسيمات بشكل عشوائي في كتلة المادة ومجالاتها الكهربائية ، في المتوسط ، تحيد بعضها البعض.
في العوازل الكهربائية ، توجد رسوم ملزمة بشكل أساسي (تسمى ثنائيات القطب). تمثل هذه ثنائيات الأقطاب بشكل تقليدي حزمًا من جسيمين غير متماثلين ، يتم توجيههما تلقائيًا على طول سماكة العازل ، وفي المتوسط ، تخلق شدة مجال كهربائي صفرية. تحت تأثير مجال خارجي ، تميل ثنائيات الأقطاب إلى توجيه نفسها وفقًا للقوة المطبقة. نتيجة لذلك ، يتم إنشاء مجال كهربائي إضافي. تحدث ظواهر مماثلة أيضًا في العوازل غير القطبية.
في الموصلات ، العمليات متشابهة ، فقط هناك شحنات مجانية ، والتي يتم فصلها تحت تأثير مجال خارجي وإنشاء مجال كهربائي خاص بها. هذا المجال موجه نحو المجال الخارجي ، ويفحص الشحنات ويقلل من قوة تفاعلها.كلما زادت قدرة المادة على الاستقطاب ، زادت ε.
ثابت عازل للمواد المختلفة
المواد المختلفة لها ثوابت عازلة مختلفة. يتم إعطاء قيمة ε لبعضها في الجدول 1. ومن الواضح أن هذه القيم أكبر من الوحدة ، وبالتالي فإن تفاعل الشحنات ، مقارنة بالفراغ ، يتناقص دائمًا. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن الهواء ε أكبر قليلاً من الوحدة ، لذا فإن تفاعل الشحنات في الهواء عمليًا لا يختلف عن التفاعل في الفراغ.
الجدول 1. قيم النفاذية الكهربائية للمواد المختلفة.
| مستوى | ثابت العزل |
|---|---|
| الباكليت | 4,5 |
| ورق | 2,0..3,5 |
| ماء | 81 (عند +20 درجة مئوية) |
| هواء | 1,0002 |
| الجرمانيوم | 16 |
| جيتيناكس | 5..6 |
| خشب | 2.7..7.5 (درجات مختلفة) |
| سيراميك هندسة الراديو | 10..200 |
| ميكا | 5,7..11,5 |
| زجاج | 7 |
| نسيج | 7,5 |
| البوليسترين | 2,5 |
| PVC | 3 |
| فلوروبلاست | 2,1 |
| العنبر | 2,7 |
ثابت العزل الكهربائي وسعة المكثف
معرفة قيمة ε أمر مهم في الممارسة ، على سبيل المثال ، عند إنشاء المكثفات الكهربائية. هم الاهلية يعتمد على الأبعاد الهندسية للألواح ، والمسافة بينها ، وسماحية العازل.
إذا كنت بحاجة للحصول على مكثف زيادة السعة ، فإن زيادة مساحة الألواح تؤدي إلى زيادة الأبعاد. هناك أيضًا حدود عملية لتقليل المسافة بين الأقطاب الكهربائية. في هذه الحالة ، يمكن أن يساعد استخدام عازل مع زيادة ثابت العزل. إذا كنت تستخدم مادة ذات أعلى ، فيمكنك مضاعفة تقليل حجم الألواح أو زيادة المسافة بينهما دون خسارة القدرة الكهربائية.
يتم تمييز المواد المسماة ferroelectrics في فئة منفصلة يحدث فيها استقطاب تلقائي في ظل ظروف معينة.في المنطقة قيد النظر تتميز بنقطتين:
- قيم كبيرة للسماحية العازلة (القيم النموذجية - من مئات إلى عدة آلاف) ؛
- القدرة على التحكم في قيمة ثابت العزل عن طريق تغيير المجال الكهربائي الخارجي.
تُستخدم هذه الخصائص لتصنيع المكثفات عالية السعة (بسبب زيادة قيمة ثابت العزل الكهربائي للعازل) مع مؤشرات صغيرة للوزن والحجم.
تعمل هذه الأجهزة فقط في دارات التيار المتردد منخفضة التردد - مع زيادة التردد ، يتناقص ثابت العزل. تطبيق آخر للكهرباء الفيروكهربائية هو المكثفات المتغيرة ، التي تتغير خصائصها تحت تأثير مجال كهربائي مطبق بمعلمات مختلفة.
عازل ثابت وخسارة عازلة
أيضًا ، تعتمد الخسائر في العازل على قيمة ثابت العزل - هذا هو جزء الطاقة المفقود في العازل لتسخينه. لوصف هذه الخسائر ، عادةً ما يتم استخدام المعلمة tan δ - ظل زاوية فقدان العزل الكهربائي. إنه يميز قوة الخسائر العازلة في المكثف ، حيث يتكون العازل من مادة متوفرة tg δ. ويتم تحديد فقد القدرة المحدد لكل مادة بواسطة الصيغة p = E2* ώ * ε* ε * tg δ ، حيث:
- p هو فقدان الطاقة المحدد ، W ؛
- ώ = 2 * π * f هو التردد الدائري للمجال الكهربائي ؛
- E هي شدة المجال الكهربائي ، V / m.
من الواضح أنه كلما زاد ثابت العزل ، زادت الخسائر في العازل ، وتساوي جميع الأشياء الأخرى.
اعتماد السماحية على العوامل الخارجية
وتجدر الإشارة إلى أن قيمة السماحية تعتمد على تردد المجال الكهربائي (في هذه الحالة ، على تردد الجهد المطبق على الألواح). مع زيادة التردد ، تنخفض قيمة ε للعديد من المواد. هذا التأثير واضح للعوازل القطبية. يمكن تفسير هذه الظاهرة من خلال حقيقة أن الشحنات (ثنائيات الأقطاب) لا يتوفر لها الوقت لمتابعة المجال. بالنسبة للمواد التي تتميز بالاستقطاب الأيوني أو الإلكتروني ، يكون اعتماد السماحية على التردد ضئيلًا.
لذلك ، فإن اختيار المواد اللازمة لصنع عازل مكثف مهم للغاية. ما يعمل على الترددات المنخفضة لن يوفر بالضرورة عزلًا جيدًا عند الترددات العالية. في أغلب الأحيان ، يتم استخدام العوازل غير القطبية كعازل في HF.
كما أن ثابت العزل يعتمد على درجة الحرارة وفي مواد مختلفة بطرق مختلفة. بالنسبة للعوازل غير القطبية ، يتناقص مع زيادة درجة الحرارة. في هذه الحالة ، بالنسبة للمكثفات المصنوعة باستخدام مثل هذا العازل ، فإنهم يتحدثون عن معامل درجة حرارة سالب للسعة (TKE) - الاهلية يتناقص مع زيادة درجة الحرارة التالية ε. بالنسبة للمواد الأخرى ، تزداد النفاذية مع زيادة درجة الحرارة ، ويمكن الحصول على المكثفات ذات TKE الموجب. من خلال تضمين المكثفات مع TKE المعاكس في زوج ، يمكنك الحصول على سعة مستقرة حرارياً.
يعد فهم جوهر ومعرفة قيمة سماحية المواد المختلفة أمرًا مهمًا للأغراض العملية. وتوفر القدرة على التحكم في مستوى ثابت العزل الكهربائي منظورات فنية إضافية.
مقالات مماثلة:
