Що таке діелектрична проникність середовища

Ще в школі на уроках фізики викладач, розповідаючи про електричні явища, пояснював, що таке діелектрична проникність середовища. Надалі, якщо основна професія не пов`язана з електротехнікою, тема благополучно забувалася. У даній роботі ми згадаємо, що ж ховається за цим визначенням.

Зазвичай для пояснення терміну «діелектрична проникність середовища» прийнято розглядати приклад з конденсатором, пластини якого плоскі. Уявімо найпростіший конденсатор, що знаходиться у вакуумі. Визначимо значення електричного заряду:

Qv = (U * S * Ev) / d,

де d - відстань між пластинами, U - напруга, S - площа пластини, Ev - діелектр. постійна. Остання є еталонним значенням, її представляє діелектрична проникність середовища без повітря (вакуум) і дорівнює 8.85 * 10 в ступені -12 Фарад на метр.

Але в конденсаторах розділяє пластини середовищем може виступати не тільки вакуум, а й будь-який інший діелектричний матеріал. Очевидно, що в цьому випадку діелектрична проникність середовища відрізняється від «Ev», тому й заряд змінюється. Якщо конденсатор підключений до джерела ЕРС, то значення заряду на пластинах стає рівним Qz. Діелектрична проникність матеріалу представляє собою відношення заряду пластин підключеного конденсатора Qz до заряду у випадку вакууму Qv, тобто

E = Qz / Qv.

Очевидно, що розмірність відсутня. Живиться конденсатор споживає додаткову потужність від джерела.

Фактично, це відносна діелектрична проникність середовища. Вона показує, у скільки разів зменшується інтенсивність взаємодії зарядів, розділених діелектриком, у порівнянні з пластинами у вакуумі. Також можна сказати, що це одна з характеристик матеріалу.

Якщо ж при накопиченні заряду на пластинах подача енергії припиняється, має місце інше явище. Знижується величина напруги і, як наслідок, падає напруженість електричного поля. Чому?

Будь-який матеріал складається з атомів з обертовими навколо ядра електронами. При появі електричного поля відбувається розосередження носіїв заряду в кожній молекулі згідно полярності зовнішнього впливу - виникає так звана поляризація, що формує диполь. Це електронний її вигляд. Сам матеріал може складатися як з полярних, так і неполярних молекул. У першому випадку молекула орієнтується згідно полю (напрузі), а так як диполі самопозиціонується, то відносна діелектрична проникність досить висока. Значення їх проникності часто перевищує 100 одиниць. У другому випадку (неполярні молекули) хоча завдяки дії поля диполі і утворюються, частина енергії витрачається на підтримання їх просторової конфігурації, тому проникність несуттєва і рідко перевищує 5 одиниць. Варто відзначити, що газоподібна речовина завжди володіє низьким показником проникності через малу кількість молекул в одиниці об`єму, причому незалежно від їх природної структури.

Для більшості поширених діелектричних матеріалів дані по проникності наводяться у відповідних таблицях, тому при виконанні розрахунків не виникає складнощів з визначенням потрібного значення. Цікаво, що повітря має проникністю в 1 одиницю. Це пояснює, чому в конденсаторах використовують різні додаткові діелектричні прошарку - кераміка, слюда, парафін та ін. Всі ці матеріали, володіючи більш високою проникністю, збільшують значення накапливаемого на пластинах заряду. Іншими словами, ємність можна регулювати не тільки способом розташування пластин, а й розділяє їх матеріалом. Чемпіонами серед речовин з високою проникністю є кераміка (близько 80) і очищена від домішок вода (не менше 81).