Az olyan jelenségek, mint a dielektromos szuszceptibilitás és a permittivitás, nemcsak a fizikában, hanem a mindennapi életben is megtalálhatók. E tekintetben meg kell határozni e jelenségek értelmét a tudományban, hatásukat és alkalmazásukat a mindennapi életben.
A feszültség meghatározása
Az intenzitás egy vektormennyiség a fizikában, amelyet a vizsgált mező pontjában elhelyezett egyetlen pozitív töltést ható erőből számítanak ki. Miután a dielektrikum külső elektrosztatikus térbe kerül, dipólusmomentumot kap, vagyis polarizálódik. A dielektrikum polarizációjának kvantitatív leírásához a polarizációt használjuk – egy vektorfizikai indexet, amelyet a dielektrikum térfogati értékének dipólusmomentumaként számítanak ki.
Az intenzitásvektor, miután áthaladt a két dielektrikum közötti felületen, hirtelen változásokon megy keresztül, ami interferenciát okoz az elektrosztatikus mezők számítása során. Ebben a tekintetben egy további jellemzőt vezetnek be - a vektortelektromos elmozdulás.
A permittivitás felhasználásával megtudhatja, hogy egy dielektrikum hányszor gyengítheti a külső mezőt. A dielektrikumok elektrosztatikus mezőinek legracionálisabb magyarázata érdekében az elektromos eltolási vektort használjuk.
Alapvető definíciók
A közeg abszolút permittivitása egy olyan együttható, amelyet a Coulomb-törvény matematikai jelölése, valamint az elektromos térerősség és az elektromos indukció közötti összefüggés egyenlete tartalmaz. Az abszolút permittivitás a közeg relatív permittivitásának és az elektromosság állandójának szorzataként ábrázolható.
A dielektromos szuszceptibilitás, amit egy anyag polarizálhatóságának neveznek, olyan fizikai mennyiség, amely elektromos tér hatására polarizálható. Ez egyben a külső elektromos tér lineáris kapcsolatának együtthatója a dielektrikum polarizációjával egy kis mezőben. A dielektromos szuszceptibilitás képlete a következő: X=na.
A legtöbb esetben a dielektrikumok pozitív dielektromos szuszceptibilitásúak, míg ez az érték dimenzió nélküli.
A ferroelektromosság bizonyos hőmérsékleti értékek mellett bizonyos kristályokban, úgynevezett ferroelektromos anyagokban jelen lévő fizikai jelenség. Ez a spontán polarizáció megjelenéséből áll egy kristályban külső elektromos tér nélkül is. A különbség a ferroelektromos és a piroelektromos között azhogy bizonyos hőmérsékleti tartományokban kristálymódosulásuk megváltozik, és a véletlenszerű polarizáció eltűnik.
A terepen dolgozó villanyszerelők nem viselkednek vezetőként, de közös jellemzőik vannak. A dielektrikum szabad töltésű hordozók hiányában különbözik a vezetőtől. Vannak, de minimális mennyiségben. Egy vezetőben egy fém kristályrácsában szabadon mozgó elektron hasonló töltéshordozóvá válik. A dielektrikumban lévő elektronok azonban saját atomjaikhoz kötődnek, és nem tudnak könnyen mozogni. Miután a dielektrikumokat elektromossággal bevezetjük egy mezőbe, elektromosság jelenik meg benne, mint egy vezetőben. A különbség a dielektrikumtól az, hogy az elektronok nem mozognak szabadon a térfogatban, ahogyan ez a vezetőben történik. Külső elektromos tér hatására azonban enyhe töltéselmozdulás lép fel az anyagmolekula belsejéből: egy pozitív a tér irányába tolódik el, a negatív pedig fordítva.
Ebben a tekintetben a felület bizonyos töltést kap. Dielektromos polarizációnak nevezzük azt az eljárást, amikor az anyag felületén elektromos tér hatására töltés jelenik meg. Ha egy homogén és nem poláris dielektrikumban meghatározott molekulakoncentrációval minden részecske azonos, akkor a polarizáció is azonos lesz. És a dielektrikum dielektromos szuszceptibilitása esetén ez az érték dimenzió nélküli lesz.
Lekötött díjak
A polarizációs folyamat következtében egy dielektromos anyag térfogatában kompenzálatlan töltések jelennek meg, amelyeket polarizációnak vagy kötöttnek neveznek. részecskék,ezekkel a töltésekkel jelen vannak a molekulák töltéseiben, és külső elektromos tér hatására kimozdulnak az egyensúlyi helyzetből anélkül, hogy elhagynák azt a molekulát, amelyben találhatók.
A kötött töltéseket felületi sűrűség jellemzi. A közeg dielektromos szuszceptibilitása és permeabilitása határozza meg, hogy két elektromos töltés kötőereje a térben hányszor kisebb, mint ugyanaz az indikátor vákuumban.
A legtöbb egyéb gáz relatív légérzékenysége és permeabilitása normál körülmények között az egységet közelíti (a kis sík miatt). A relatív dielektromos szuszceptibilitás és permittivitás a ferroelektromos anyagokban tíz- és százezrek egy olyan dielektrikumpár elválasztófelületén, amelyeknek az anyag abszolút permittivitása és szuszceptibilitása, valamint a köztük lévő azonos tangenciális szilárdságú komponensek vannak.
Sok gyakorlati helyzet között találkozik az áram átmenete egy fémtestből a környező világba, miközben az utóbbi fajlagos vezetőképessége többszöröse ennek a testnek a vezetőképességének. Hasonló helyzetek fordulhatnak elő például az áram áthaladásakor a földbe temetett fémelektródákon. Gyakran acélelektródákat használnak. Ha a feladat az üveg dielektromos érzékenységének meghatározása, akkor a feladatot némileg bonyolítja, hogy ennek az anyagnak ionrelaxációs tulajdonsága van, ami miatt egy kiskésés.
Külső tér jelenlétében egy különböző permeabilitású dielektrikumpár határán a polarizációs töltések különböző indexekkel, eltérő felületi sűrűséggel jelennek meg. Így kapunk új feltételt a térerősség törésére a dielektrikumról a másikra való átmenet során.
Az áramvonalak töréstörvénye a formájában hasonlónak tekinthető az elektrosztatikus térben két dielektrikum határán lévő elmozduló vonalak törési törvényéhez.
A környező világ minden egyes teste és anyaga rendelkezik bizonyos elektromos tulajdonságokkal. Ennek oka a molekuláris és atomi szerkezetben rejlik – a töltött részecskék jelenléte, amelyek egymással összekapcsolt vagy szabad állapotban vannak.
Ha az anyagot nem éri külső tér, akkor az ilyen részek egymást kiegyensúlyozva helyezkednek el a teljes térfogatban anélkül, hogy további elektromos mezőket hoznának létre. Ha az elektromos energia kívülről történik, akkor a meglévő molekulákon és atomokon belül töltések újraeloszlása jelenik meg, ami saját belső mező megjelenéséhez vezet, amely kifelé irányul.
Ha az alkalmazott külső mezőt E0-nak és belső E'-nek jelöljük ki, akkor a teljes E mező ezeknek az értékeknek az összege lesz.
Az elektromos áramban lévő összes anyagot általában a következőkre osztják:
- karmesterek;
- dielektrikum.
Ez az osztályozás régóta létezik, de nem teljesen pontos, mivel a tudomány már régóta felfedezte az új vagy kombinált testeket.az anyag tulajdonságai.
Karmesterek
Vezetőképes anyagok lehetnek olyan közegek, amelyekben szabad töltések vannak. A fémeket gyakran ilyennek tekintik, mivel szerkezetükben szabad elektronok állandó jelenléte következik, amelyek az anyag teljes üregében mozoghatnak. A közeg dielektromos érzékenysége lehetővé teszi, hogy részt vegyen a termikus folyamatban
Ha a vezető el van szigetelve a külső elektromos tér hatásától, akkor egyensúly alakul ki benne a pozitív és negatív töltések között. Ez az állapot azonnal eltűnik, amikor egy vezető megjelenik egy elektromos térben, amely energiájával újraelosztja a töltött részecskéket, és kiegyensúlyozatlan töltések megjelenését váltja ki pozitív és negatív értékű külső felületen
Ezt a jelenséget elektrosztatikus indukciónak nevezik. A fém felületén a hatása alatt megjelenő töltéseket indukciós töltéseknek nevezzük.
A vezetőben keletkezett induktív töltések saját mezőt hoznak létre, amely kompenzálja a vezető belsejében lévő külső tér hatását. Ebben a tekintetben a teljes elektrosztatikus tér mutatója kompenzálva lesz, és egyenlő 0-val. Az egyes pontok belső és külső potenciáljai egyenlőek.
Ez az eredmény azt jelzi, hogy a vezető belsejében (még ha külső mező is van csatlakoztatva) nincs potenciálkülönbség és nincs elektrosztatikus tér. Ezt a tényt a használat miatt árnyékolásnál használjákmezőre érzékeny személyek és elektromos berendezések elektrooptikai védelmének módszere, különösen a nagy pontosságú mérőműszerek és a mikroprocesszoros technológia.
A permittivitás és a szuszceptibilitás között is van összefüggés. Azonban képlettel is kifejezhető. Tehát a dielektromos állandó és a dielektromos szuszceptibilitás közötti kapcsolat a következő jelöléssel rendelkezik: e=1+X.
ESD-elv
Árnyékolás segítségével vezető tulajdonságokkal rendelkező anyagokból készült ruhákat és cipőket, beleértve a kalapokat is, használják az energiaszektorban a nagyfeszültségű eszközök által kiváltott nagy feszültségű körülmények között dolgozó személyzet biztonsága érdekében. Az elektrosztatikus tér nem hatol be a vezető belsejébe, mert amikor a vezetőt az elektromos térbe vezetjük, azt a szabad töltések mozgása miatt keletkező tér kompenzálja.
Dielektrikumok
Ez a név olyan anyagokhoz tartozik, amelyek szigetelő tulajdonságokkal rendelkeznek. Csak összekapcsolt díjakat tartalmaznak, ingyeneseket nem. Minden bennük lévő pozitív részecske kötődik egy negatívhoz egy közös semleges töltésű atomon belül, szabad mozgás nélkül. A dielektrikumok belsejéből oszlanak el, és nem változtathatják meg helyzetüket külső mezők hatására. Ugyanakkor az anyag dielektromos szuszceptibilitása és az ebből eredő energia bizonyos változásokat von maga után az anyag szerkezetében. Az atomon és a molekulán belülről az arány megváltozikA részecske pozitív és negatív töltései, valamint extra kiegyensúlyozatlan, egymással összefüggő töltések jelennek meg az anyag felületén, belső elektromos mezőt hozva létre. A kívülről alkalmazott feszültségre irányul.
Ezt a jelenséget dielektromos polarizációnak nevezik. Jellemezhető azzal, hogy az anyag belsejéből elektromos tér keletkezik, amelyet külső energia hatására, de a belső tér ellenhatása gyengít.
Polarizáció típusai
A dielektrikum belsejében kétféleképpen ábrázolható:
- orientáció;
- elektronikus.
Az első típusnak van egy további neve is - dipólus polarizáció. Ez a tulajdonság a pozitív és negatív töltésnél eltolt központú dielektrikumokban rejlik, amelyek molekulákat hoznak létre kis dipólusokból - egy töltéspár semleges kombinációjából. Ez a jelenség egy folyékony, hidrogén-szulfidra jellemző, amely nitrogént hordoz.
Külső elektromos tér hatása nélkül ezekben az anyagokban a molekuláris dipólusok véletlenszerűen orientálódnak a meglévő hőmérséklet-változások hatására, amikor nem jelenik meg elektromos töltés a dielektrikum külső oldalán.
Ez a kép megváltozik a kívülről sugárzott energia hatására, amikor a dipólusok nem nagyon változtatják orientációjukat, és a felületen kompenzálatlan makroszkopikus kötött töltések jelennek meg, amelyek a kívülről alkalmazott térrel ellentétes irányú mezőt hoznak létre.
Elektronikus polarizáció, rugalmasmechanizmus
Ez a jelenség a nem poláris dielektrikumokban fordul elő – olyan eltérő típusú anyagokban, amelyekben nincs dipólusmomentum, és amelyek külső tér hatására deformálódnak, így csak pozitív töltések orientálódnak a dielektrikumban. a külső térvektor iránya és a negatív töltések ellentétes irányban.
Ennek eredményeképpen minden molekula elektromos dipólusként működik, amely az alkalmazott külső tér tengelye mentén orientálódik. Hasonló módon egy saját mező jelenik meg a külső felületen, amelynek ellenkező irányú.
Nem poláris dielektrikum polarizációja
Ezeknél az anyagoknál a molekulák változása és az azt követő polarizáció a külső tér hatására nem függ a hőmérséklet hatására történő mozgásuktól. A metán CH4 nempoláris dielektrikumként használható. A belső tér numerikus mutatói mindkét dielektrikum esetében kezdetben a külső tér változásával arányosan változnak nagyságrendben, majd a telítés után nemlineáris típusú hatások jelennek meg. Akkor jelennek meg, amikor az egyes molekuláris dipólusok az erővonalak mentén sorakoznak a poláris dielektrikumok közelében, vagy a nem poláris anyagokban olyan változások következnek be, amelyeket az atomok és molekulák erős deformációja okoz kívülről érkező nagy mennyiségű energia hatására. Gyakorlati esetekben ez rendkívül ritkán fordul elő.
Dielektromos állandó
A szigetelőanyagok közül komoly szerepet kapnak az elektromos indikátorok és egy olyan jellemző, mint a dielektromos állandó. Mindkettőt két különböző jellemző alapján ítélik meg:
- abszolút érték;
- relatív mutató.
Az anyag abszolút permittivitása kifejezés a Coulomb-törvény matematikai jelölésére utal. Segítségével az indukciós vektor és az intenzitás közötti összefüggést együttható formájában írjuk le.
