Las cargas interactúan entre sí en diferentes medios con diferentes fuerzas, determinadas por la ley de Coulomb. Las propiedades de estos medios están determinadas por una cantidad llamada permitividad.
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¿Qué es la constante dieléctrica?
De acuerdo a ley de Coulomb, dos cargas puntuales q1 yq2 en el vacío interactúan entre sí con la fuerza dada por la fórmula Fclase=((1/4)*π*ε)*(|q1|*|q2|/r2), dónde:
- Fclase es la fuerza de Coulomb, N;
- q1, q2 son módulos de carga, C;
- r es la distancia entre cargas, m;
- ε0 - constante eléctrica, 8.85 * 10-12 F/m (Faradios por metro).
Si la interacción no tiene lugar en el vacío, la fórmula incluye otra cantidad que determina la influencia de la materia sobre la fuerza de Coulomb, y la ley de Coulomb se escribe de la siguiente manera:
F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).
Este valor se denota con la letra griega ε (épsilon), es adimensional (no tiene unidad de medida). La permitividad dieléctrica es el coeficiente de atenuación de la interacción de cargas en una sustancia.
A menudo en física, la permitividad se usa en conjunto con la constante eléctrica, en cuyo caso es conveniente introducir el concepto de permitividad absoluta. Se denota por εa y es igual a εa= ε*mi. En este caso, la permeabilidad absoluta tiene la dimensión F/m. La permeabilidad ordinaria ε también se denomina relativa para distinguirla de εa.
La naturaleza de la permitividad.
La naturaleza de la permitividad se basa en el fenómeno de polarización bajo la acción de un campo eléctrico. La mayoría de las sustancias son generalmente eléctricamente neutras, aunque contienen partículas cargadas. Estas partículas se ubican aleatoriamente en la masa de la materia y sus campos eléctricos, en promedio, se neutralizan entre sí.
En los dieléctricos, existen principalmente cargas ligadas (se llaman dipolos). Estos dipolos representan convencionalmente paquetes de dos partículas diferentes, que se orientan espontáneamente a lo largo del espesor del dieléctrico y, en promedio, crean una fuerza de campo eléctrico cero. Bajo la acción de un campo externo, los dipolos tienden a orientarse según la fuerza aplicada. Como resultado, se crea un campo eléctrico adicional. Fenómenos similares también ocurren en dieléctricos no polares.
En los conductores, los procesos son similares, solo que existen cargas libres, que se separan bajo la acción de un campo externo y también crean su propio campo eléctrico. Este campo se dirige hacia el exterior, apantalla las cargas y reduce la fuerza de su interacción.Cuanto mayor es la capacidad de polarización de una sustancia, mayor es ε.
Constante dieléctrica de varias sustancias.
Diferentes sustancias tienen diferentes constantes dieléctricas. El valor de ε para algunos de ellos se da en la Tabla 1. Es obvio que estos valores son mayores que la unidad, por lo que la interacción de las cargas, en comparación con el vacío, siempre disminuye. También se debe tener en cuenta que para el aire ε es un poco más que la unidad, por lo que la interacción de las cargas en el aire prácticamente no difiere de la interacción en el vacío.
Tabla 1. Valores de permeabilidad eléctrica para diversas sustancias.
| Sustancia | la constante dielectrica |
|---|---|
| Baquelita | 4,5 |
| Papel | 2,0..3,5 |
| Agua | 81 (a +20 grados C) |
| Aire | 1,0002 |
| Germanio | 16 |
| Getinax | 5..6 |
| Madera | 2.7..7.5 (varios grados) |
| Cerámica de ingeniería de radio | 10..200 |
| Mica | 5,7..11,5 |
| Vidrio | 7 |
| Textolita | 7,5 |
| Poliestireno | 2,5 |
| CLORURO DE POLIVINILO | 3 |
| fluoroplasto | 2,1 |
| Ámbar | 2,7 |
Constante dieléctrica y capacitancia del capacitor.
Conocer el valor de ε es importante en la práctica, por ejemplo, al crear condensadores eléctricos. A ellos capacidad depende de las dimensiones geométricas de las placas, la distancia entre ellas y la permitividad del dieléctrico.
Si necesitas conseguir condensador mayor capacidad, luego un aumento en el área de las placas conduce a un aumento en las dimensiones. También existen límites prácticos para reducir la distancia entre los electrodos. En este caso, el uso de un aislador con constante dieléctrica aumentada puede ayudar. Si usa un material con un ε más alto, puede multiplicar reducir el tamaño de las placas o aumentar la distancia entre ellas sin pérdida capacidad eléctrica.
Las sustancias llamadas ferroeléctricas se distinguen en una categoría separada, en la que, bajo ciertas condiciones, se produce una polarización espontánea.En el ámbito considerado, se caracterizan por dos puntos:
- grandes valores de permitividad dieléctrica (valores típicos, de cientos a varios miles);
- la capacidad de controlar el valor de la constante dieléctrica cambiando el campo eléctrico externo.
Estas propiedades se utilizan para la fabricación de capacitores de alta capacidad (debido al aumento del valor de la constante dieléctrica del aislador) con indicadores de peso y tamaño pequeños.
Dichos dispositivos funcionan solo en circuitos de corriente alterna de baja frecuencia: a medida que aumenta la frecuencia, disminuye su constante dieléctrica. Otra aplicación de la ferroeléctrica son los capacitores variables, cuyas características cambian bajo la influencia de un campo eléctrico aplicado con parámetros variables.
Constante dieléctrica y pérdidas dieléctricas
Además, las pérdidas en el dieléctrico dependen del valor de la constante dieléctrica: esta es la parte de la energía que se pierde en el dieléctrico para calentarlo. Para describir estas pérdidas, generalmente se usa el parámetro tan δ, la tangente del ángulo de pérdida dieléctrica. Caracteriza la potencia de pérdidas dieléctricas en un capacitor, en el cual el dieléctrico es de un material con tg δ disponible. Y la pérdida de potencia específica para cada sustancia está determinada por la fórmula p=E2*ώ*ε*ε*tg δ, donde:
- p es la pérdida de potencia específica, W;
- ώ=2*π*f es la frecuencia circular del campo eléctrico;
- E es la fuerza del campo eléctrico, V/m.
Obviamente, cuanto mayor sea la constante dieléctrica, mayores serán las pérdidas en el dieléctrico, en igualdad de condiciones.
Dependencia de la permitividad de factores externos
Cabe señalar que el valor de la permitividad depende de la frecuencia del campo eléctrico (en este caso, de la frecuencia del voltaje aplicado a las placas). A medida que aumenta la frecuencia, el valor de ε disminuye para muchas sustancias. Este efecto es pronunciado para los dieléctricos polares. Este fenómeno puede explicarse por el hecho de que las cargas (dipolos) dejan de tener tiempo para seguir el campo. Para sustancias que se caracterizan por polarización iónica o electrónica, la dependencia de la permitividad de la frecuencia es pequeña.
Por lo tanto, la selección de materiales para hacer un condensador dieléctrico es muy importante. Lo que funciona a bajas frecuencias no necesariamente proporcionará un buen aislamiento a altas frecuencias. Muy a menudo, los dieléctricos no polares se utilizan como aislantes en HF.
Además, la constante dieléctrica depende de la temperatura y en diferentes sustancias de diferentes maneras. Para dieléctricos no polares, disminuye al aumentar la temperatura. En este caso, para los condensadores fabricados con dicho aislante, hablan de un coeficiente de capacitancia de temperatura negativo (TKE): capacidad disminuye con el aumento de la temperatura después de ε. Para otras sustancias, la permeabilidad aumenta con el aumento de la temperatura y se pueden obtener condensadores con un TKE positivo. Al incluir capacitores con TKE opuesto en un par, puede obtener una capacitancia térmicamente estable.
Comprender la esencia y el conocimiento del valor de la permitividad de varias sustancias es importante para fines prácticos. Y la capacidad de controlar el nivel de constante dieléctrica proporciona perspectivas técnicas adicionales.
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