Was ist Dielektrizitätskonstante?

Jeder Stoff oder Körper, der uns umgibt, hat bestimmte elektrische Eigenschaften. Dies liegt an der molekularen und atomaren Struktur: dem Vorhandensein geladener Teilchen in einem aneinander gebundenen oder freien Zustand.

Wenn kein äußeres elektrisches Feld auf den Stoff einwirkt, verteilen sich diese Partikel so, dass sie sich gegenseitig ausgleichen und kein zusätzliches elektrisches Feld im gesamten Gesamtvolumen erzeugen. Bei äußerer Anwendung elektrischer Energie innerhalb der Moleküle und Atome kommt es zu einer Umverteilung der Ladungen, die zur Entstehung eines eigenen inneren elektrischen Feldes führt, das gegen das äußere gerichtet ist.

Wenn der Vektor des angelegten externen Feldes als „E0“ und der interne als „E '“ bezeichnet wird, dann ist das Gesamtfeld „E“ die Summe der Energie dieser beiden Größen.

In der Elektrizität ist es üblich, Stoffe zu unterteilen in:

• Drähte;

• Dielektrika.

Diese Einteilung gibt es schon seit langem, allerdings ist sie recht willkürlich, da viele Körper unterschiedliche oder kombinierte Eigenschaften haben.

Dirigenten

Als Dirigenten werden Träger mit kostenlosen Tarifen eingesetzt.Am häufigsten fungieren Metalle als Leiter, da in ihrer Struktur immer freie Elektronen vorhanden sind, die sich im gesamten Volumen des Stoffes bewegen können und gleichzeitig an thermischen Prozessen beteiligt sind.

Wenn ein Leiter von der Einwirkung äußerer elektrischer Felder isoliert wird, entsteht in ihm aus Ionengittern und freien Elektronen ein Gleichgewicht positiver und negativer Ladungen. Dieses Gleichgewicht wird sofort zerstört, wenn ein Leiter in einem elektrischen Feld — aufgrund der Energie, bei der die Umverteilung geladener Teilchen beginnt und auf der Außenfläche unausgeglichene Ladungen mit positiven und negativen Werten erscheinen.

Dieses Phänomen wird üblicherweise als elektrostatische Induktion bezeichnet. Die Ladungen, die es auf der Oberfläche von Metallen auflädt, werden Induktionsladungen genannt.

Im Leiter gebildete induktive Ladungen bilden ein Eigenfeld E‘, das die Wirkung des externen E0 im Inneren des Leiters kompensiert. Daher ist der Wert des gesamten elektrostatischen Feldes kompensiert und gleich 0. In diesem Fall sind die Potentiale aller Punkte innen und außen gleich.

Die gewonnene Schlussfolgerung zeigt, dass es im Inneren des Leiters, selbst wenn ein externes Feld angeschlossen ist, keine Potentialdifferenz und keine elektrostatischen Felder gibt. Diese Tatsache wird bei der Abschirmung ausgenutzt – der Anwendung einer Methode zum elektrostatischen Schutz von Personen und elektrischen Geräten, die gegenüber induzierten Feldern empfindlich sind, insbesondere Präzisionsmessgeräte und Mikroprozessortechnik.

Abgeschirmte Kleidung und Schuhe aus Stoffen mit leitfähigen Fäden, einschließlich Hüten, werden in der Elektrizitätswirtschaft verwendet, um Personal zu schützen, das unter Bedingungen erhöhter Spannung arbeitet, die durch Hochspannungsgeräte erzeugt werden.

Dielektrika

So werden Stoffe bezeichnet, die isolierende Eigenschaften haben. Sie enthalten nur verbundene Gebühren, keine Gratisgeschenke. Sie alle haben positive und negative Teilchen, die in einem neutralen Atom gebunden sind und der Bewegungsfreiheit beraubt sind. Sie sind im Dielektrikum verteilt und bewegen sich unter der Einwirkung des angelegten äußeren Feldes E0 nicht.

Seine Energie verursacht jedoch immer noch gewisse Veränderungen in der Struktur der Substanz – innerhalb der Atome und Moleküle ändert sich das Verhältnis von positiven und negativen Teilchen, und auf der Oberfläche der Substanz treten übermäßige, unausgeglichene assoziierte Ladungen auf, die ein inneres elektrisches Feld bilden E'. Sie richtet sich gegen die von außen aufgebrachte Spannung.

Dieses Phänomen nennt man dielektrische Polarisation... Es ist dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Substanz ein elektrisches Feld E auftritt, das durch die Einwirkung der äußeren Energie E0 gebildet, aber durch den Widerstand der inneren Energie E' geschwächt wird.

Arten der Polarisation

Es gibt zwei Arten innerhalb von Dielektrika:

1. Orientierung;

2. elektronisch.

Der erste Typ hat den Zusatznamen Dipolpolarisation. Es ist Dielektrika mit verschobenen Zentren bei negativen und positiven Ladungen inhärent, die Moleküle aus mikroskopisch kleinen Dipolen bilden – einem neutralen Satz aus zwei Ladungen. Dies ist charakteristisch für Wasser, Stickstoffdioxid und Schwefelwasserstoff.

Ohne Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes orientieren sich die molekularen Dipole solcher Stoffe unter dem Einfluss von Prozessen bei Betriebstemperatur chaotisch. Gleichzeitig gibt es an keiner Stelle des Innenvolumens und an der Außenfläche des Dielektrikums elektrische Ladung.

Dieses Bild ändert sich unter dem Einfluss von außen angelegter Energie, wenn die Dipole ihre Ausrichtung leicht ändern und Bereiche mit unkompensierten makroskopisch gebundenen Ladungen auf der Oberfläche erscheinen, die ein Feld E' mit einer Richtung bilden, die der angelegten E0 entgegengesetzt ist.

Bei einer solchen Polarisation hat die Temperatur einen großen Einfluss auf Prozesse, verursacht thermische Bewegungen und erzeugt desorientierende Faktoren.

Elektronische Polarisation, elastischer Mechanismus

Es manifestiert sich in unpolaren Dielektrika – Materialien anderer Art mit Molekülen ohne Dipolmoment, die unter dem Einfluss eines äußeren Feldes so verformt werden, dass die positiven Ladungen in Richtung des E0-Vektors ausgerichtet sind, und die negativen Ladungen sind in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet.

Dadurch wirkt jedes der Moleküle als elektrischer Dipol, der entlang der Achse des angelegten Feldes ausgerichtet ist. Dadurch erzeugen sie auf der Außenfläche ihr Feld E‘ mit entgegengesetzter Richtung.

In solchen Stoffen hängt die Verformung der Moleküle und damit die Polarisation durch die Einwirkung eines äußeren Feldes nicht von ihrer Bewegung unter Temperatureinfluss ab. Als Beispiel für ein unpolares Dielektrikum kann Methan CH4 genannt werden.

Der Zahlenwert des inneren Feldes der beiden Arten von Dielektrika ändert seine Größe zunächst direkt proportional zur Zunahme des äußeren Feldes, und wenn die Sättigung erreicht ist, treten nichtlineare Effekte auf. Sie entstehen, wenn alle molekularen Dipole entlang der Kraftlinien polarer Dielektrika angeordnet sind oder es zu Veränderungen in der Struktur unpolarer Materie aufgrund der starken Verformung von Atomen und Molekülen durch große von außen zugeführte Energie gekommen ist.

In der Praxis kommen solche Fälle selten vor – in der Regel tritt ein Ausfall bzw. Versagen der Isolierung früher auf.

Die Dielektrizitätskonstante

Unter den Isoliermaterialien spielen die elektrischen Eigenschaften und Indikatoren wie die Dielektrizitätskonstante eine wichtige Rolle. Sie kann anhand von zwei verschiedenen Eigenschaften gemessen werden:

1. absoluter Wert;

2. relativer Wert.

Der Begriff absolute Dielektrizitätskonstante Stoffe εa wird in Bezug auf die mathematische Notation des Coulombschen Gesetzes verwendet. Er verbindet in Form des Koeffizienten εα die Vektoren der Induktion D und der Intensität E.

Erinnern wir uns daran, dass der französische Physiker Charles de Coulomb mit seiner eigenen Torsionswaage die Gesetze der elektrischen und magnetischen Kräfte zwischen kleinen geladenen Körpern untersuchte.

Die Bestimmung der relativen Permeabilität eines Mediums dient der Charakterisierung der isolierenden Eigenschaften eines Stoffes. Es schätzt das Verhältnis der Wechselwirkungskraft zwischen zwei Punktladungen unter zwei verschiedenen Bedingungen: im Vakuum und in einer Arbeitsumgebung. In diesem Fall werden die Vakuumindizes mit 1 (εv = 1) angenommen, während sie für reale Stoffe immer höher sind, εr > 1.

Der numerische Ausdruck εr wird als dimensionslose Größe dargestellt, die durch den Polarisationseffekt in Dielektrika erklärt wird, und wird zur Bewertung ihrer Eigenschaften verwendet.

Dielektrizitätskonstantenwerte einzelner Medien (bei Raumtemperatur)

Substanz ε Substanz ε Segnet-Salz 6000 Diamant 5,7 Rutil (auf optischer Achse) 170 Wasser 81 Polyethylen 2,3 Ethanol 26,8 Silizium 12,0 Glimmer 6 Glasbecher 5-16 Kohlendioxid 1,00099 NaCl 5,26 Wässriger Dampf 1,0126 Benzol 2,322 Luft (760 mmHg) 1,000 57