Apa itu konstanta dielektrik

Setiap zat atau tubuh yang mengelilingi kita memiliki sifat listrik tertentu. Ini disebabkan oleh struktur molekul dan atom: adanya partikel bermuatan dalam keadaan saling terikat atau bebas.

Ketika tidak ada medan listrik eksternal yang bekerja pada zat tersebut, partikel-partikel ini didistribusikan sedemikian rupa sehingga saling menyeimbangkan dan tidak menciptakan medan listrik tambahan di seluruh volume total. Dalam kasus aplikasi eksternal energi listrik di dalam molekul dan atom, terjadi redistribusi muatan, yang mengarah pada penciptaan medan listrik internalnya sendiri yang diarahkan ke medan eksternal.

Jika vektor medan eksternal yang diterapkan dilambangkan sebagai «E0», dan vektor internal «E '», maka total medan «E» akan menjadi jumlah energi dari dua kuantitas ini.

Dalam listrik, biasanya membagi zat menjadi:

• kabel;

• dielektrik.

Klasifikasi ini sudah ada sejak lama, meskipun cukup sewenang-wenang, karena banyak benda memiliki sifat yang berbeda atau gabungan.

Konduktor

Operator yang memiliki muatan gratis digunakan sebagai konduktor.Paling sering, logam bertindak sebagai konduktor, karena elektron bebas selalu ada dalam strukturnya, yang mampu bergerak di seluruh volume zat dan pada saat yang sama merupakan peserta dalam proses termal.

Ketika konduktor diisolasi dari aksi medan listrik eksternal, keseimbangan muatan positif dan negatif dibuat di dalamnya dari kisi ion dan elektron bebas. Kesetimbangan ini segera hancur ketika konduktor dalam medan listrik — karena energi di mana redistribusi partikel bermuatan dimulai dan muatan tidak seimbang dengan nilai positif dan negatif muncul di permukaan luar.

Fenomena ini biasanya disebut induksi elektrostatik... Muatan yang dibebankan pada permukaan logam disebut muatan induksi.

Muatan induktif yang terbentuk dalam konduktor membentuk medan sendiri E ', yang mengkompensasi efek E0 eksternal di dalam konduktor. Oleh karena itu, nilai total medan elektrostatik total dikompensasi dan sama dengan 0. Dalam hal ini, potensi semua titik baik di dalam maupun di luar adalah sama.

Kesimpulan yang diperoleh menunjukkan bahwa di dalam konduktor, bahkan dengan medan luar yang terhubung, tidak ada beda potensial dan tidak ada medan elektrostatik. Fakta ini digunakan dalam perisai — penerapan metode perlindungan elektrostatik orang dan peralatan listrik yang peka terhadap medan induksi, terutama alat ukur presisi dan teknologi mikroprosesor.

Pakaian dan alas kaki berpelindung yang terbuat dari kain dengan benang konduktif, termasuk topi, digunakan dalam kelistrikan untuk melindungi personel yang bekerja dalam kondisi tegangan tinggi yang dihasilkan oleh peralatan bertegangan tinggi.

Dielektrik

Ini adalah nama zat yang memiliki sifat isolasi. Mereka hanya berisi biaya yang saling berhubungan, bukan gratis. Mereka semua memiliki partikel positif dan negatif yang terikat dalam atom netral, kehilangan kebebasan bergerak. Mereka didistribusikan di dalam dielektrik dan tidak bergerak di bawah aksi medan eksternal yang diterapkan E0.

Namun, energinya masih menyebabkan perubahan tertentu dalam struktur zat - di dalam atom dan molekul, rasio partikel positif dan negatif berubah, dan muatan terkait yang berlebihan dan tidak seimbang muncul di permukaan zat, membentuk medan listrik internal. E '. Itu diarahkan melawan ketegangan yang diterapkan dari luar.

Fenomena ini disebut polarisasi dielektrik... Ini dicirikan oleh fakta bahwa medan listrik E muncul di dalam zat, dibentuk oleh aksi energi eksternal E0, tetapi dilemahkan oleh oposisi internal E '.

Jenis polarisasi

Ini terdiri dari dua jenis di dalam dielektrik:

1. orientasi;

2. elektronik.

Tipe pertama memiliki nama tambahan polarisasi dipol. Itu melekat di dielektrik dengan pusat bergeser pada muatan negatif dan positif, yang membentuk molekul dipol mikroskopis - satu set netral dari dua muatan. Ini adalah karakteristik air, nitrogen dioksida, hidrogen sulfida.

Tanpa aksi medan listrik eksternal, dipol molekuler dari zat semacam itu diorientasikan secara kacau di bawah pengaruh proses pada suhu operasi. Pada saat yang sama, tidak ada muatan listrik di titik mana pun di volume dalam dan di permukaan luar dielektrik.

Gambar ini berubah di bawah pengaruh energi yang diterapkan secara eksternal, ketika dipol sedikit mengubah orientasinya dan daerah muatan terikat makroskopik yang tidak terkompensasi muncul di permukaan, membentuk medan E' dengan arah yang berlawanan dengan E0 yang diterapkan.

Dengan polarisasi seperti itu, suhu memiliki pengaruh besar pada proses, menyebabkan gerakan termal dan menciptakan faktor disorientasi.

Polarisasi elektronik, mekanisme elastis

Ini memanifestasikan dirinya dalam dielektrik non-polar - bahan dari jenis yang berbeda dengan molekul tanpa momen dipol, yang, di bawah pengaruh medan eksternal, berubah bentuk sehingga muatan positif diorientasikan ke arah vektor E0, dan muatan negatif berorientasi pada arah yang berlawanan.

Akibatnya, masing-masing molekul bertindak sebagai dipol listrik yang berorientasi sepanjang sumbu medan yang diterapkan. Dengan cara ini, mereka menciptakan bidang E 'di permukaan luar mereka dengan arah yang berlawanan.

Dalam zat seperti itu, deformasi molekul dan karenanya polarisasi akibat aksi medan eksternal tidak bergantung pada pergerakannya di bawah pengaruh suhu. Metana CH4 dapat dikutip sebagai contoh dielektrik non-polar.

Nilai numerik medan internal dari dua jenis dielektrik pertama-tama berubah dalam besarnya sebanding dengan peningkatan medan eksternal, dan kemudian, ketika saturasi tercapai, efek nonlinier muncul. Mereka muncul ketika semua dipol molekul diatur di sepanjang garis gaya dielektrik polar atau perubahan telah terjadi dalam struktur materi non-polar, karena deformasi atom dan molekul yang kuat oleh energi besar yang diterapkan dari luar.

Dalam praktiknya, kasus seperti itu jarang terjadi - biasanya kegagalan atau kegagalan insulasi terjadi lebih awal.

Konstanta dielektrik

Di antara bahan isolasi, peran penting dimainkan oleh karakteristik kelistrikan dan indikator seperti konstanta dielektrik... Ini dapat diukur dengan dua karakteristik berbeda:

1. nilai mutlak;

2. nilai relatif.

Istilah zat konstanta dielektrik absolut εa digunakan ketika mengacu pada notasi matematika hukum Coulomb. Itu, dalam bentuk koefisien εα, menghubungkan vektor induksi D dan intensitas E.

Mari kita ingat bahwa fisikawan Prancis Charles de Coulomb, dengan menggunakan neraca torsinya sendiri, menyelidiki hukum gaya listrik dan magnet antara benda bermuatan kecil.

Penentuan permeabilitas relatif suatu media digunakan untuk mengkarakterisasi sifat isolasi suatu zat. Ini memperkirakan rasio gaya interaksi antara dua muatan titik dalam dua kondisi berbeda: dalam ruang hampa dan dalam lingkungan kerja. Dalam hal ini, indeks vakum diambil sebagai 1 (εv = 1), sedangkan untuk zat nyata selalu lebih tinggi, εr> 1.

Ekspresi numerik εr ditampilkan sebagai kuantitas tak berdimensi yang dijelaskan oleh efek polarisasi dalam dielektrik dan digunakan untuk mengevaluasi karakteristiknya.

Nilai konstanta dielektrik dari masing-masing media (pada suhu kamar)

Zat ε Zat ε Garam Segnet 6000 Intan 5,7 Rutil (pada sumbu optik) 170 Air 81 Polietilen 2,3 Etanol 26,8 Silikon 12,0 Mika 6 Gelas beker 5-16 Karbon dioksida 1,00099 NaCl 5,26 Uap air 1,0126 Benzena 2,322 Udara (760 mmHg) 1,000 57