Comment la permittivité est-elle déterminée ? Méthode de mesure de la permittivité

• déterminer l'intensité du champ électrique dans le vide ;
• inclus dans les expressions de certaines lois de l'électromagnétisme, y compris la loi de Coulomb, lorsqu'il est écrit sous une forme correspondant au Système international d'unités.

Grâce à la constante diélectrique, une connexion est établie entre la permittivité relative et absolue. Il est également inclus dans le dossier de la loi de Coulomb :

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Nom obsolète de la permittivité (Voir Constante diélectrique) ... Grande Encyclopédie soviétique

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la constante diélectrique- permittivité absolue ; industrie permittivité diélectrique Quantité scalaire caractérisant les propriétés électriques d'un diélectrique égale au rapport de l'amplitude du déplacement électrique à l'amplitude de l'intensité du champ électrique ... Dictionnaire explicatif terminologique polytechnique

Conférence #19

1. La nature de la conductivité électrique des diélectriques gazeux, liquides et solides

La constante diélectrique

Permittivité relative, ou permittivité ε est l'un des paramètres électriques macroscopiques les plus importants d'un diélectrique. La constante diélectriqueε caractérise quantitativement la capacité d'un diélectrique à se polariser dans un champ électrique et évalue également le degré de sa polarité; ε est la constante du matériau diélectrique à une température et une fréquence données tension électrique et montre combien de fois la charge d'un condensateur avec un diélectrique est supérieure à la charge d'un condensateur de même taille avec un vide.

La constante diélectrique détermine la valeur de la capacité électrique du produit (condensateur, isolation du câble, etc.). Pour capacité de condensateur plat DE,Ф, s'exprime par la formule (1)

où S est la surface de l'électrode de mesure, m 2 ; h est l'épaisseur du diélectrique, M. On peut voir à partir de la formule (1) que le plus de valeur ε diélectrique utilisé, plus la capacité du condensateur est grande avec les mêmes dimensions. À son tour, la capacité électrique C est le coefficient de proportionnalité entre la charge de surface QK, condensateur accumulé, et la tension électrique qui lui est appliquée

filage U(2) :

De la formule (2) il résulte que la charge électrique QK, accumulée par le condensateur est proportionnelle à la valeur ε diélectrique. Connaissance QK dimensions géométriques du condensateur, vous pouvez déterminer ε matériau diélectrique pour une tension donnée.

Considérez le mécanisme de formation de la charge QK sur les électrodes d'un condensateur avec un diélectrique et quels composants composent cette charge. Pour ce faire, on prend deux condensateurs plats de mêmes dimensions géométriques : l'un avec du vide, l'autre avec un espace interélectrode rempli d'un diélectrique, et on leur applique la même tension tu(Fig. 1). Une charge se forme sur les électrodes du premier condensateur Q0, sur les électrodes du deuxième - QK. Chargez à votre tour QK est la somme des charges Q0 et Q(3):

Charge Q 0 est formé par un champ externe E0 en accumulant des charges externes sur les électrodes du condensateur de densité surfacique σ 0 . Q- il s'agit d'une charge supplémentaire sur les électrodes du condensateur, créée par une source de tension électrique pour compenser les charges liées formées à la surface du diélectrique.

Dans un diélectrique uniformément polarisé, la charge Q correspond à la densité surfacique des charges liées σ. La charge σ forme un champ E sz, dirigé à l'opposé du champ E O.

La permittivité du diélectrique considéré peut être représentée par le rapport de charge QK un condensateur rempli d'un diélectrique pour charger Q0 le même condensateur avec le vide (3) :

De la formule (3) il s'ensuit que la permittivité ε - la valeur est sans dimension, et pour tout diélectrique elle est supérieure à l'unité ; en cas de vide ε = 1. De l'exemple considéré, également

on peut voir que la densité de charge sur les électrodes d'un condensateur avec un diélectrique en ε une fois que plus de densité charge sur les électrodes du condensateur avec vide, et l'intensité à la même tension pour les deux

leurs condensateurs sont les mêmes et ne dépendent que de l'amplitude de la tension tu et la distance entre les électrodes (E = U/h).

En plus de la permittivité relative ε distinguer permittivité absolue ε a, f/m, (4)

qui n'a pas sens physique et est utilisé en génie électrique.

La variation relative de la permittivité εr avec une augmentation de la température de 1 K est appelée coefficient de température de la permittivité.

TKε = 1/ εr d εr/dT K-1 Pour air à 20°C TK εr = -2.10-6K-

Le vieillissement électrique des ferroélectriques s'exprime par une diminution de εr avec le temps. La raison en est un réarrangement des domaines.

Une variation particulièrement nette de la permittivité avec le temps est observée à des températures proches du point de Curie. Le chauffage des ferroélectriques à une température supérieure au point de Curie et le refroidissement ultérieur ramène εr à sa valeur précédente. La même restauration de la permittivité diélectrique peut être réalisée en exposant le ferroélectrique à un champ électrique d'intensité accrue.

Pour les diélectriques complexes - un mélange mécanique de deux composants avec différents εr en première approximation : εrx = θ1 εr1x θ εr2x, où θ est la concentration volumétrique des composants du mélange, εr est la permittivité relative du composant du mélange.

La polarisation diélectrique peut être causée par : des charges mécaniques (piézopolarisation dans les piézoélectriques) ; chauffage (pyropolarisation dans les pyroélectriques); lumière (photopolarisation).

L'état polarisé d'un diélectrique dans un champ électrique E est caractérisé par un moment électrique par unité de volume, polarisation Р, C/m2, qui est lié à sa permittivité relative, par exemple : Р = e0 (par exemple - 1)Е, où e0 = 8.85∙10-12 F/m. Le produit e0∙eg =e, F/m, est appelé la permittivité absolue. Dans les diélectriques gazeux, par exemple, diffère peu de 1,0, dans les liquides et solides non polaires, il atteint 1,5 - 3,0, dans les polaires, il a grandes valeurs; dans les cristaux ioniques, par exemple - 5-MO, et dans ceux avec pérovskite réseau cristallin atteint 200 ; dans les ferroélectriques, par exemple - 103 et plus.

Dans les diélectriques non polaires, par exemple, diminue légèrement avec l'augmentation de la température, dans les changements polaires sont associés à la prédominance de l'un ou l'autre type de polarisation, dans les cristaux ioniques, il augmente, dans certains ferroélectriques à une température de Curie, il atteint 104 et plus. Les changements de température sont par exemple caractérisés par un coefficient de température. Pour les diélectriques polaires, une caractéristique est une diminution, par exemple, dans la gamme de fréquences, où le temps t pour la polarisation est proportionnel à T/2.

Informations similaires.

Toute substance ou corps qui nous entoure possède certaines propriétés électriques. Cela est dû à la structure moléculaire et atomique : la présence de particules chargées qui sont dans un état mutuellement lié ou libre.

Lorsque la substance n'est pas affectée par une quelconque champ électrique, alors ces particules sont réparties de telle sorte qu'elles s'équilibrent et ne créent pas de champ électrique supplémentaire dans tout le volume total. Dans le cas d'une application externe d'énergie électrique à l'intérieur des molécules et des atomes, une redistribution des charges se produit, ce qui conduit à la création de son propre champ électrique interne dirigé à l'opposé du champ externe.

Si le vecteur du champ externe appliqué est désigné "E0", et l'interne - "E"", alors le champ total "E" sera la somme de l'énergie de ces deux quantités.

En électricité, il est d'usage de diviser les substances en :

conducteurs;

diélectriques.

Une telle classification existe depuis longtemps, bien qu'elle soit plutôt conditionnelle car de nombreux corps ont des propriétés autres ou combinées.

conducteurs

Les médias qui ont des frais gratuits agissent comme des conducteurs. Le plus souvent, les métaux agissent comme conducteurs, car dans leur structure, il y a toujours des électrons libres capables de se déplacer dans tout le volume de la substance et, en même temps, participent aux processus thermiques.

Lorsque le conducteur est isolé de l'action des champs électriques externes, un équilibre de charges positives et négatives y est créé à partir de réseaux ioniques et des électrons libres. Cet équilibre est immédiatement détruit lors de l'introduction - en raison de l'énergie dont la redistribution des particules chargées commence et des charges déséquilibrées de valeurs positives et négatives apparaissent sur la surface extérieure.

Ce phénomène est appelé induction électrostatique. Les charges qui en résultent à la surface des métaux sont appelées frais d'induction.

Les charges inductives formées dans le conducteur forment leur propre champ E ", compensant l'action de l'extérieur E0 à l'intérieur du conducteur. Par conséquent, la valeur du champ électrostatique total et total est compensée et égale à 0. Dans ce cas, les potentiels de tous les points à l'intérieur et à l'extérieur sont les mêmes.

La conclusion obtenue indique qu'à l'intérieur du conducteur, même avec un champ externe connecté, il n'y a pas de différence de potentiel et pas de champs électrostatiques. Ce fait est utilisé dans le blindage - l'application d'une méthode de protection électrostatique des personnes et des équipements électriques sensibles aux champs induits, en particulier de haute précision instruments de mesure et la technologie des microprocesseurs.

Les vêtements et chaussures blindés en tissus à fils conducteurs, y compris un couvre-chef, sont utilisés dans l'industrie électrique pour protéger le personnel travaillant dans des conditions de tension accrue créées par des équipements à haute tension.

Diélectriques

Substances dites aux propriétés isolantes. Ils ne contiennent que des charges interconnectées et non gratuites. Ils ont toutes des particules positives et négatives fixées à l'intérieur d'un atome neutre, privé de liberté de mouvement. Ils sont répartis à l'intérieur du diélectrique et ne se déplacent pas sous l'action du champ extérieur appliqué E0.

Cependant, son énergie provoque encore certains changements dans la structure de la matière - à l'intérieur des atomes et des molécules, le rapport des valeurs positives et particules négatives, et des charges liées excessives et déséquilibrées apparaissent à la surface de la substance, formant un champ électrique interne E.

Ce phénomène a été nommé polarisation diélectrique. Il se caractérise par le fait qu'un champ électrique E apparaît à l'intérieur de la substance, formé par l'action de l'énergie externe E0, mais affaibli par la contre-action de l'interne E.

Types de polarisation

Il à l'intérieur des diélectriques est de deux types :

1. orientation ;

2. électronique.

Le premier type porte le nom supplémentaire de polarisation dipolaire. Il est inhérent aux diélectriques avec des centres déplacés de charges négatives et positives, qui forment des molécules à partir de dipôles microscopiques - une combinaison neutre de deux charges. Ceci est typique pour l'eau, le dioxyde d'azote, le sulfure d'hydrogène.

Sans l'action d'un champ électrique externe dans de telles substances, les dipôles moléculaires sont orientés de manière chaotique sous l'influence de processus de température agissants. Dans le même temps, il n'y a aucune charge électrique en aucun point du volume interne et sur la surface externe du diélectrique.

Ce motif change sous l'influence de l'énergie appliquée de l'extérieur, lorsque les dipôles changent légèrement d'orientation et que des régions de charges liées macroscopiques non compensées apparaissent à la surface, formant un champ E" de sens opposé à l'E0 appliqué.

Avec une telle polarisation, les processus sont fortement influencés par la température, ce qui provoque un mouvement thermique et crée des facteurs de désorientation.

Polarisation électronique, mécanisme élastique

Il se manifeste dans les diélectriques non polaires - des matériaux d'un type différent avec des molécules dépourvues de moment dipolaire, qui, sous l'influence d'un champ externe, se déforment de sorte que les charges positives sont orientées dans la direction du vecteur E0, et négatives charges dans le sens opposé.

De ce fait, chacune des molécules fonctionne comme un dipôle électrique orienté selon l'axe du champ appliqué. Ils créent ainsi leur propre champ E" avec la direction opposée sur la surface extérieure.

Dans de telles substances, la déformation des molécules et, par conséquent, la polarisation due à l'action du champ extérieur ne dépendent pas de leur mouvement sous l'influence de la température. Un exemple de diélectrique non polaire est le méthane CH4.

La valeur numérique du champ interne des deux types de diélectriques change initialement d'amplitude en proportion directe de l'augmentation du champ externe, puis, lorsque la saturation est atteinte, des effets non linéaires apparaissent. Ils se produisent lorsque tous les dipôles moléculaires s'alignent le long des lignes de force des diélectriques polaires ou que des changements dans la structure d'une substance non polaire se produisent en raison d'une forte déformation des atomes et des molécules à partir d'une grande énergie appliquée de l'extérieur.

En pratique, de tels cas se produisent rarement - généralement une panne ou une défaillance de l'isolation se produit plus tôt.

La constante diélectrique

Parmi les matériaux isolants rôle important attribué à des caractéristiques électriques et un indicateur tel que la constante diélectrique. Il peut être évalué par deux caractéristiques différentes :

1. valeur absolue ;

2. valeur relative.

terme permittivité absolue les substances εa sont utilisées en référence à la notation mathématique de la loi de Coulomb. Il relie, sous la forme d'un coefficient εa, les vecteurs d'induction D et d'intensité E.

Rappelons que le physicien français Charles de Coulomb a utilisé sa propre balance de torsion pour étudier les modèles de forces électriques et magnétiques entre de petits corps chargés.

La détermination de la permittivité relative d'un milieu est utilisée pour caractériser les propriétés isolantes d'une substance. Il estime le rapport de la force d'interaction entre deux charges ponctuelles à deux conditions diverses: sous vide et environnement de travail. Dans ce cas, les indicateurs de vide sont pris égaux à 1 (εv=1), alors que pour les substances réelles ils sont toujours supérieurs, εr>1.

L'expression numérique εr est affichée comme une grandeur sans dimension, est expliquée par l'effet de polarisation dans les diélectriques et est utilisée pour évaluer leurs caractéristiques.

Valeurs constantes diélectriques des médias individuels(à température ambiante)

La constante diélectrique- c'est l'un des principaux paramètres caractérisant les propriétés électriques des diélectriques. En d'autres termes, il détermine la qualité de l'isolant d'un matériau particulier.

La valeur de la permittivité montre la dépendance de l'induction électrique dans le diélectrique à l'intensité du champ électrique agissant sur lui. En même temps, sa valeur est influencée non seulement propriétés physiques le matériau ou le support lui-même, mais aussi la fréquence du champ. En règle générale, les ouvrages de référence indiquent la valeur mesurée pour un champ statique ou basse fréquence.

Il existe deux types de permittivité : absolue et relative.

Permittivité relative montre le rapport entre les propriétés isolantes (diélectriques) du matériau étudié et les propriétés similaires du vide. Il caractérise les propriétés isolantes d'une substance à l'état gazeux, liquide ou solide. C'est-à-dire qu'il est applicable à presque tous les diélectriques. La valeur de la permittivité relative pour les substances à l'état gazeux est généralement de l'ordre de 1. Pour les liquides et les solides, elle peut être dans une très large plage - de 2 à presque l'infini.

Par exemple, la permittivité relative eau fraicheégal à 80, et ferroélectriques - des dizaines voire des centaines d'unités, selon les propriétés du matériau.

Permittivité absolue - c'est constant. Il caractérise les propriétés isolantes d'une substance ou d'un matériau particulier, quels que soient son emplacement et les facteurs externes qui l'affectent.

Usage

La permittivité, ou plutôt ses valeurs, sont utilisées dans le développement et la conception de nouveaux composants électroniques, en particulier les condensateurs. Les dimensions et caractéristiques électriques futures du composant dépendent de sa valeur. Cette valeur est également prise en compte lors du développement de circuits électriques(notamment en électronique haute fréquence) et même

Permittivité relative environnement ε est une grandeur physique sans dimension qui caractérise les propriétés d'un milieu isolant (diélectrique). Elle est liée à l'effet de polarisation des diélectriques sous l'action d'un champ électrique (et à la valeur de la susceptibilité diélectrique du milieu caractérisant cet effet). La valeur de ε montre combien de fois la force d'interaction de deux charges électriques dans un milieu est inférieure à celle dans le vide. Permittivité relative de l'air et de la plupart des autres gaz dans conditions normales proches de l'unité (du fait de leur faible densité). Pour la plupart des diélectriques solides ou liquides, la permittivité relative varie de 2 à 8 (pour un champ statique). La constante diélectrique de l'eau dans un champ statique est assez élevée - environ 80. Ses valeurs sont importantes pour les substances dont les molécules ont un grand dipôle électrique. La permittivité relative des ferroélectriques est de dizaines et de centaines de milliers.

Utilisation pratique

La permittivité des diélectriques est l'un des paramètres principaux dans la conception des condensateurs électriques. L'utilisation de matériaux à constante diélectrique élevée permet de réduire considérablement les dimensions physiques des condensateurs.

Le paramètre de permittivité est pris en compte lors de la conception des cartes de circuits imprimés. La valeur de la constante diélectrique de la substance entre les couches en combinaison avec son épaisseur affecte la valeur de la capacité statique naturelle des couches de puissance, et affecte également de manière significative la résistance aux ondes des conducteurs sur la carte.

Dépendance à la fréquence

Il convient de noter que la permittivité dépend en grande partie de la fréquence Champ électromagnétique. Ceci doit toujours être pris en compte, car les tableaux du manuel contiennent généralement des données pour un champ statique ou des basses fréquences jusqu'à plusieurs unités de kHz sans l'indiquer. Dans le même temps, il existe également des méthodes optiques pour obtenir la permittivité relative à partir de l'indice de réfraction à l'aide d'ellipsomètres et de réfractomètres. La valeur obtenue par la méthode optique (fréquence 10 14 Hz) différera sensiblement des données des tableaux.

Prenons, par exemple, le cas de l'eau. Dans le cas d'un champ statique (la fréquence est nulle), la permittivité relative dans les conditions normales est d'environ 80. C'est le cas jusqu'aux fréquences infrarouges. À partir d'environ 2 GHz εr commence à tomber. Dans le domaine optique εr est d'environ 1,8. Ceci est cohérent avec le fait que dans le domaine optique, l'indice de réfraction de l'eau est de 1,33. Dans une plage de fréquences étroite, appelée optique, l'absorption diélectrique tombe à zéro, ce qui fournit en fait à une personne un mécanisme de vision dans l'atmosphère terrestre saturée de vapeur d'eau. Au fur et à mesure que la fréquence augmente, les propriétés du milieu changent à nouveau.

Valeurs constantes diélectriques pour certaines substances