Wie wird die Dielektrizitätskonstante bestimmt? Methodik zur Messung der Dielektrizitätskonstante

• Bestimmung der elektrischen Feldstärke im Vakuum;
• in den Ausdrücken einiger Gesetze des Elektromagnetismus enthalten, einschließlich des Coulomb-Gesetzes, wenn es in einer Form geschrieben ist, die dem Internationalen Einheitensystem entspricht.

Die Dielektrizitätskonstante stellt einen Zusammenhang zwischen relativer und absoluter Dielektrizitätskonstante her. Es ist auch in der Notation des Coulombschen Gesetzes enthalten:

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Dielektrizitätskonstante - die Dielektrizitätskonstante- [Ya.N.Luginsky, M.S.Fezi Zhilinskaya, Yu.S.Kabirov. Englisch-Russisches Wörterbuch der Elektrotechnik und Energietechnik, Moskau, 1999] Themen Elektrotechnik, Grundkonzepte Synonyme Dielektrizitätskonstante... ...

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spezifische Dielektrizitätskonstante- - [Ya.N.Luginsky, M.S.Fezi Zhilinskaya, Yu.S.Kabirov. Englisch-Russisches Wörterbuch der Elektrotechnik und Energietechnik, Moskau, 1999] Themen der Elektrotechnik, Grundkonzepte EN SimultanaustauschfähigkeitSIC ... Leitfaden für technische Übersetzer

die Dielektrizitätskonstante- absolute Dielektrizitätskonstante; Industrie Dielektrizitätskonstante Eine skalare Größe, die die elektrischen Eigenschaften eines Dielektrikums charakterisiert und dem Verhältnis der Größe der elektrischen Verschiebung zur Größe der elektrischen Feldstärke entspricht ... Polytechnisches terminologisches Erklärungswörterbuch

Vorlesung Nr. 19

1. Die Art der elektrischen Leitfähigkeit gasförmiger, flüssiger und fester Dielektrika

Die Dielektrizitätskonstante

Relative Dielektrizitätskonstante oder Dielektrizitätskonstante ε- einer der wichtigsten makroskopischen elektrischen Parameter eines Dielektrikums. Die Dielektrizitätskonstanteε charakterisiert quantitativ die Fähigkeit eines Dielektrikums, in einem elektrischen Feld polarisiert zu werden, und bewertet auch den Grad seiner Polarität; ε ist eine Konstante eines dielektrischen Materials bei einer bestimmten Temperatur und Frequenz elektrische Spannung und zeigt an, wie oft die Ladung eines Kondensators mit Dielektrikum größer ist als die Ladung eines gleich großen Kondensators mit Vakuum.

Die Dielektrizitätskonstante bestimmt den Wert der elektrischen Kapazität eines Produkts (Kondensator, Kabelisolierung usw.). Bei einem Parallelplattenkondensator beträgt die elektrische Kapazität MIT,Ф, ausgedrückt durch Formel (1)

wobei S die Fläche der Messelektrode ist, m2; h ist die Dicke des Dielektrikums, m. Aus Formel (1) ist klar, was größerer Wert ε Je größer das verwendete Dielektrikum, desto größer ist die elektrische Kapazität des Kondensators bei gleichen Abmessungen. Die elektrische Kapazität C wiederum ist der Proportionalitätskoeffizient zwischen der Oberflächenladung QK, akkumulierter Kondensator und eine daran angelegte elektrische Spannung

Garnieren U(2):

Aus Formel (2) folgt die elektrische Ladung QK, Der vom Kondensator akkumulierte Wert ist proportional zum Wert ε Dielektrikum. Wissen QK und die geometrischen Abmessungen des Kondensators können bestimmt werden ε dielektrisches Material für eine bestimmte Spannung.

Betrachten wir den Mechanismus der Ladungsbildung QK an den Elektroden eines Kondensators mit einem Dielektrikum und aus welchen Bestandteilen diese Ladung besteht. Dazu nehmen wir zwei Flachkondensatoren mit gleichen geometrischen Abmessungen: einen mit Vakuum, den anderen mit einem mit einem Dielektrikum gefüllten Zwischenelektrodenraum, und legen an sie die gleiche elektrische Spannung an U(Abb. 1). An den Elektroden des ersten Kondensators bildet sich eine Ladung Q0, an den Elektroden des zweiten - QK. Im Gegenzug die Gebühr QK ist die Summe der Gebühren Q0 Und Q(3):

Aufladung Q 0 entsteht durch das äußere Feld E0 durch Ansammlung fremder Ladungen mit der Oberflächendichte σ 0 auf den Elektroden des Kondensators. Q- Dies ist eine zusätzliche Ladung an den Elektroden des Kondensators, die von einer elektrischen Spannungsquelle erzeugt wird, um die gebundenen Ladungen zu kompensieren, die sich auf der Oberfläche des Dielektrikums bilden.

In einem gleichmäßig polarisierten Dielektrikum ist die Ladung Q entspricht der Oberflächendichte gebundener Ladungen σ. Die Ladung σ bildet ein Feld E сз, das dem Feld E O entgegengesetzt gerichtet ist.

Die Dielektrizitätskonstante des jeweiligen Dielektrikums kann als Ladungsverhältnis dargestellt werden QK Kondensator zum Aufladen mit Dielektrikum gefüllt Q0 derselbe Kondensator mit Vakuum (3):

Aus Formel (3) folgt die Dielektrizitätskonstante ε - die Größe ist dimensionslos und für jedes Dielektrikum größer als eins; bei Vakuum ε = 1. Auch aus dem betrachteten Beispiel

Es ist ersichtlich, dass die Ladungsdichte an den Elektroden eines Kondensators mit einem Dielektrikum in ε einmal mehr Dichte Ladung an den Elektroden eines Kondensators mit Vakuum und Spannungen bei gleichen Spannungen für den Austausch

Ihre Kondensatoren sind gleich und hängen nur von der Spannung ab U und Abstände zwischen den Elektroden (E = U/h).

Zusätzlich zur relativen Dielektrizitätskonstante ε unterscheiden absolute Dielektrizitätskonstante ε a, F/m, (4)

was nicht der Fall ist physikalische Bedeutung und wird in der Elektrotechnik eingesetzt.

Die relative Änderung der Dielektrizitätskonstante εr bei einer Temperaturerhöhung um 1 K wird als Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante bezeichnet.

ТКε = 1/ εr d εr/dT К-1 Für Luft bei 20°С ТК εr = -2,10-6К-

Die elektrische Alterung in Ferroelektrika wird als eine Abnahme von εr mit der Zeit ausgedrückt. Der Grund liegt in der Neugruppierung der Domänen.

Eine besonders starke zeitliche Änderung der Dielektrizitätskonstante wird bei Temperaturen nahe dem Curie-Punkt beobachtet. Durch Erhitzen von Ferroelektrika auf eine Temperatur über dem Curie-Punkt und anschließendes Abkühlen kehrt εr auf seinen vorherigen Wert zurück. Die gleiche Wiederherstellung der Dielektrizitätskonstante kann erreicht werden, indem das Ferroelektrikum einem elektrischen Feld erhöhter Intensität ausgesetzt wird.

Für komplexe Dielektrika – eine mechanische Mischung aus zwei Komponenten mit unterschiedlichem εr in erster Näherung: εrх = θ1 · εr1х · θ · εr2х, wobei θ die volumetrische Konzentration der Mischungskomponenten ist, εr die relative Dielektrizitätskonstante der Mischungskomponente.

Dielektrische Polarisation kann verursacht werden durch: mechanische Belastungen (Piezopolarisation bei Piezoelektrika); Erhitzen (Pyropolarisation in Pyroelektrika); Licht (Photopolarisation).

Der polarisierte Zustand eines Dielektrikums in einem elektrischen Feld E wird durch das elektrische Moment pro Volumeneinheit, Polarisation P, C/m2, charakterisiert, das mit seiner relativen Dielektrizitätskonstante zusammenhängt, z. B.: P = e0 (z. B. - 1)E, wobei e0 = 8,85∙10-12 F/m. Das Produkt e0∙eг =e, F/m wird als absolute Dielektrizitätskonstante bezeichnet. In gasförmigen Dielektrika weicht er beispielsweise kaum von 1,0 ab, in unpolaren Flüssigkeiten und Feststoffen erreicht er 1,5 - 3,0, in polaren sogar große Werte; in Ionenkristallen, z. B. 5-MO, und in solchen mit Perowskit Kristallgitter erreicht 200; in Ferroelektrika zB - 103 und mehr.

Bei unpolaren Dielektrika nimmt sie beispielsweise mit zunehmender Temperatur leicht ab; bei polaren Dielektrika sind Änderungen mit dem Vorherrschen der einen oder anderen Polarisationsart verbunden; bei Ionenkristallen nimmt sie zu; bei einigen Ferroelektrika erreicht sie bei der Curie-Temperatur 104 oder mehr. Temperaturänderungen werden beispielsweise durch einen Temperaturkoeffizienten charakterisiert. Polare Dielektrika zeichnen sich durch eine Abnahme z. B. im Frequenzbereich aus, in dem die Zeit t für die Polarisation mit T/2 vergleichbar ist.

Verwandte Informationen.

Jede Substanz oder jeder Körper, der uns umgibt, hat bestimmte elektrische Eigenschaften. Dies wird durch die molekulare und atomare Struktur erklärt: das Vorhandensein geladener Teilchen, die sich in einem aneinander gebundenen oder freien Zustand befinden.

Wenn ein Stoff nicht durch äußere Einflüsse beeinflusst wird elektrisches Feld, dann sind diese Partikel so verteilt, dass sie sich gegenseitig ausgleichen und kein zusätzliches elektrisches Feld im gesamten Volumen erzeugen. Wenn elektrische Energie von außen zugeführt wird, kommt es im Inneren von Molekülen und Atomen zu einer Ladungsumverteilung, die zur Entstehung eines eigenen inneren elektrischen Feldes führt, das dem äußeren entgegengerichtet ist.

Wenn der Vektor des angelegten äußeren Feldes mit „E0“ und das innere Feld mit „E“ bezeichnet wird, dann ist das Gesamtfeld „E“ die Summe der Energien dieser beiden Größen.

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

Dirigenten;

Dielektrika.

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

Dirigenten

Als Dirigenten fungieren Medien mit kostenlosen Gebühren. Am häufigsten fungieren Metalle als Leiter, da ihre Struktur immer freie Elektronen enthält, die sich im gesamten Volumen des Stoffes bewegen können und gleichzeitig an thermischen Prozessen beteiligt sind.

Wenn ein Leiter von der Einwirkung externer elektrischer Felder isoliert wird, entsteht in ihm ein Gleichgewicht aus positiven und negativen Ladungen Ionengitter und freie Elektronen. Dieses Gleichgewicht wird bei der Anwendung sofort zerstört – dank der Energie beginnt die Umverteilung geladener Teilchen und es erscheinen unausgeglichene Ladungen positiver und negativer Mengen auf der Außenfläche.

Dieses Phänomen wird üblicherweise als bezeichnet elektrostatische Induktion. Die Ladungen, die auf der Oberfläche von Metallen entstehen, nennt man Induktionsladungen.

Die im Leiter gebildeten induktiven Ladungen bilden ihr eigenes Feld E und kompensieren die Wirkung des externen E0 im Leiter. Daher wird der Wert des gesamten elektrostatischen Feldes kompensiert und ist gleich 0. In diesem Fall sind die Potentiale aller Punkte Innen und Außen sind gleich.

Die daraus resultierende Schlussfolgerung zeigt, dass es im Inneren des Leiters selbst bei angeschlossenem externen Feld 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 mit hoher Präzision Messgeräte und Mikroprozessortechnik.

Abgeschirmte Kleidung und Schuhe aus Stoffen mit leitfähigen Fäden, einschließlich Kopfbedeckungen, werden im Energiesektor verwendet, um Personal zu schützen, das unter Bedingungen erhöhter Spannung arbeitet, die durch Hochspannungsgeräte verursacht werden.

Dielektrika

So werden Stoffe bezeichnet, die isolierende Eigenschaften haben. Sie enthalten nur Verbundentgelte und keine kostenlosen Entgelte. Für sie werden alle positiven und negativen Teilchen in einem neutralen Atom zusammengehalten und haben keine Bewegungsfreiheit. 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 Materie – innerhalb von Atomen und Molekülen ist das Verhältnis von positiv und positiv negative Teilchen, und auf der Oberfläche der Substanz treten überschüssige, unausgeglichene gebundene Ladungen auf, die ein inneres elektrisches Feld E bilden. Es ist der von außen angelegten Spannung entgegengerichtet.

Dieses Phänomen nennt man dielektrische Polarisation. Es zeichnet sich dadurch aus, dass im Inneren der Substanz ein elektrisches Feld E auftritt, das durch die Einwirkung der äußeren Energie E0 entsteht, aber durch die Gegenwirkung 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 negativer und positiver Ladung inhärent, die aus mikroskopisch kleinen Dipolen Moleküle bilden – eine neutrale Kombination zweier Ladungen. Dies ist typisch für Wasser, Stickstoffdioxid und Schwefelwasserstoff.

Ohne Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes orientieren sich die molekularen Dipole solcher Stoffe unter dem Einfluss vorhandener Temperaturprozesse chaotisch. In diesem Fall gibt es an keiner Stelle im Innenvolumen 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" in der entgegengesetzten Richtung zum angelegten E0 bilden.

Bei einer solchen Polarisation hat die Temperatur einen großen Einfluss auf die Prozesse, verursacht thermische Bewegungen und führt zu desorientierenden 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 positive Ladungen in Richtung des E0-Vektors ausgerichtet sind und negative Ladungen sind in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet.

Dadurch wirkt jedes der Moleküle als elektrischer Dipol, der entlang der Achse des angelegten Feldes ausgerichtet ist. Auf diese Weise erzeugen sie auf der Außenfläche ein eigenes Feld E in entgegengesetzter Richtung.

In solchen Stoffen hängt die Verformung von Molekülen und damit die Polarisation durch den Einfluss eines äußeren Feldes nicht von ihrer Bewegung unter Temperatureinfluss ab. Ein Beispiel für ein unpolares Dielektrikum ist Methan CH4.

Der numerische Wert des inneren Feldes beider Arten von Dielektrika ändert sich zunächst direkt proportional zur Zunahme des äußeren Feldes, und wenn die Sättigung erreicht ist, treten nichtlineare Effekte auf. Sie treten auf, wenn alle molekularen Dipole entlang der Feldlinien polarer Dielektrika ausgerichtet sind oder Änderungen in der Struktur einer unpolaren Substanz aufgrund starker Verformung von Atomen und Molekülen aufgrund großer, von außen zugeführter Energie aufgetreten sind.

In der Praxis kommen solche Fälle selten vor – meist kommt es zuerst zu einem Durchschlag oder Isolationsversagen.

Die Dielektrizitätskonstante

Unter Isoliermaterialien wichtige Rolle wird auf elektrische Kennwerte und Indikatoren wie z die Dielektrizitätskonstante. Es kann anhand von zwei verschiedenen Merkmalen beurteilt werden:

1. absoluter Wert;

2. relative Größe.

Der Begriff absolute Dielektrizitätskonstante Substanzen εa werden verwendet, wenn auf die mathematische Notation des Coulombschen Gesetzes Bezug genommen wird. Er verbindet in Form des Koeffizienten εа den Induktionsvektor D und die Spannung E.

Erinnern wir uns daran, dass der französische Physiker Charles de Coulomb mithilfe seiner eigenen Torsionswaagen die Muster elektrischer und magnetischer Kräfte zwischen kleinen geladenen Körpern untersuchte.

Die Bestimmung der relativen Dielektrizitätskonstante eines Mediums dient zur Charakterisierung der Isoliereigenschaften eines Stoffes. Es schätzt das Verhältnis der Wechselwirkungskraft zwischen zwei Punktladungen auf zwei unterschiedliche Bedingungen: im Vakuum und in der Arbeitsumgebung. In diesem Fall werden die Vakuumindikatoren mit 1 (εv=1) angenommen und sind für reale Substanzen immer höher, εr>1.

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

Werte der Dielektrizitätskonstanten einzelner Medien(bei Raumtemperatur)

Die Dielektrizitätskonstante- Dies ist einer der Hauptparameter, die die elektrischen Eigenschaften von Dielektrika charakterisieren. Mit anderen Worten: Es bestimmt, wie gut ein bestimmtes Material isoliert.

Der Wert der Dielektrizitätskonstante zeigt die Abhängigkeit der elektrischen Induktion im Dielektrikum von der darauf einwirkenden elektrischen Feldstärke. Darüber hinaus wird sein Wert nicht nur beeinflusst physikalische Eigenschaften das Material bzw. Medium selbst, aber auch die Frequenz des Feldes. In Fachbüchern wird in der Regel der gemessene Wert für ein statisches oder niederfrequentes Feld angegeben.

Es gibt zwei Arten von Dielektrizitätskonstanten: absolute und relative.

Relative Dielektrizitätskonstante zeigt das Verhältnis der isolierenden (dielektrischen) Eigenschaften des untersuchten Materials zu ähnlichen Eigenschaften des Vakuums. Es charakterisiert die isolierenden Eigenschaften eines Stoffes im gasförmigen, flüssigen oder festen Zustand. Das heißt, es ist auf fast alle Dielektrika anwendbar. Der Wert der relativen Dielektrizitätskonstante liegt bei Stoffen im gasförmigen Zustand in der Regel im Bereich von 1. Bei Flüssigkeiten und Feststoffen kann er in einem sehr weiten Bereich liegen – von 2 bis nahezu unendlich.

Zum Beispiel die relative Dielektrizitätskonstante frisches Wasser beträgt 80 und für Ferroelektrika – je nach den Eigenschaften des Materials mehrere zehn oder sogar hunderte Einheiten.

Absolute Dielektrizitätskonstante - Das Konstante. Es charakterisiert die isolierenden Eigenschaften eines bestimmten Stoffes oder Materials, unabhängig von seinem Standort und den darauf einwirkenden äußeren Faktoren.

Verwendung

Die Dielektrizitätskonstante bzw. deren Werte werden bei der Entwicklung und dem Design neuer elektronischer Komponenten, insbesondere Kondensatoren, verwendet. Die zukünftigen Abmessungen und elektrischen Eigenschaften des Bauteils hängen von seinem Wert ab. Dieser Wert wird auch bei der Gesamtentwicklung berücksichtigt elektrische Diagramme(insbesondere in der Hochfrequenzelektronik) und sogar

Relative Dielektrizitätskonstante Medium ε ist eine dimensionslose physikalische Größe, die die Eigenschaften eines isolierenden (dielektrischen) Mediums charakterisiert. Es hängt mit dem Effekt der Polarisation von Dielektrika unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zusammen (und mit dem Wert der dielektrischen Suszeptibilität des Mediums, der diesen Effekt charakterisiert). Der Wert ε gibt an, wie oft die Wechselwirkungskraft zwischen zwei elektrischen Ladungen in einem Medium geringer ist als im Vakuum. Relative Dielektrizitätskonstante von Luft und den meisten anderen Gasen in normale Bedingungen nahe bei Eins (aufgrund ihrer geringen Dichte). Bei den meisten festen oder flüssigen Dielektrika liegt die relative Permittivität zwischen 2 und 8 (für ein statisches Feld). Die Dielektrizitätskonstante von Wasser in einem statischen Feld ist ziemlich hoch – etwa 80. Ihre Werte sind hoch für Substanzen mit Molekülen, die einen großen elektrischen Dipol haben. Die relative Dielektrizitätskonstante von Ferroelektrika beträgt Zehntausende und Hunderttausende.

Praktischer Nutzen

Die Dielektrizitätskonstante von Dielektrika ist einer der Hauptparameter beim Design elektrischer Kondensatoren. Durch die Verwendung von Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante können die physikalischen Abmessungen von Kondensatoren deutlich reduziert werden.

Der Parameter Dielektrizitätskonstante wird beim Design von Leiterplatten berücksichtigt. Der Wert der Dielektrizitätskonstante der Substanz zwischen den Schichten beeinflusst in Kombination mit ihrer Dicke den Wert der natürlichen statischen Kapazität der Leistungsschichten und beeinflusst auch erheblich den Wellenwiderstand der Leiter auf der Platine.

Frequenzabhängigkeit

Es ist zu beachten, dass die Dielektrizitätskonstante weitgehend von der Frequenz abhängt elektromagnetisches Feld. Dies sollte immer berücksichtigt werden, da Referenztabellen in der Regel Daten für ein statisches Feld oder niedrige Frequenzen bis zu einigen kHz enthalten, ohne dass dies angegeben wird. Gleichzeitig gibt es optische Methoden zur Bestimmung der relativen Dielektrizitätskonstante basierend auf dem Brechungsindex mithilfe von Ellipsometern und Refraktometern. Der mit der optischen Methode (Frequenz 10-14 Hz) ermittelte Wert weicht erheblich von den Angaben in den Tabellen ab.

Betrachten wir zum Beispiel den Fall Wasser. Bei einem statischen Feld (Frequenz Null) beträgt die relative Dielektrizitätskonstante unter Normalbedingungen etwa 80. Dies gilt bis hin zu Infrarotfrequenzen. Beginnend bei etwa 2 GHz ε r beginnt zu fallen. Im optischen Bereich ε r beträgt etwa 1,8. Dies steht im Einklang mit der Tatsache, dass der Brechungsindex von Wasser im optischen Bereich 1,33 beträgt. In einem schmalen Frequenzbereich, der als optisch bezeichnet wird, sinkt die dielektrische Absorption auf Null, was dem Menschen tatsächlich den Mechanismus des Sehens in der mit Wasserdampf gesättigten Erdatmosphäre ermöglicht. Bei weiterer Frequenzerhöhung verändern sich die Eigenschaften des Mediums erneut.

Dielektrizitätskonstantenwerte für einige Stoffe