Základní veličiny a vztahy nauky o dielektrikách Mgr. Martin Tomáš

Dielektrika kolem nás aceton, amoniak, anilin, apatit, asfalt, bakelit, benzen, břidlice, butan, celofán, celulóza, cement, chloroform, cukr, diamant, dolomit, ebonit, formalín, fosgen, freon, hedvábí, jantar, kanadský balzám, kerosin, kokain, kyselina sírová, kys. mravenčí, kys. dusičná, líh, LPG, malachit, mentol, metan, močovina, mramor, naftalen, neopren, nylon, oxid titaničitý, papír, parafín, petrolej, plexisklo, polystyren, porcelán, PVC, rubín, sklo, slonovina, suřík, šelak, teflon, toluen, TNT, uretan, voda, vzduch, xylen

Základní veličiny a vztahy - dielektrika jsou často ztotožňována s izolanty - izolanty jsou materiály použité k nevodivému oddělení dvou míst s různým potenciálem Izolanty patří mezi dielektrika, ale dielektrikum nemusí být izolantem.

Základní veličiny a vztahy Elektrický náboj značka Q jednotka C (coulomb) zákon zachování elektrického náboje relativistický invariant elektrický náboj kvantován Mohr, Taylor, Newel, CODATA recommended values of fundamental physical constants. Reviews of Modern Physics, 2008

Základní veličiny a vztahy Coulombův zákon -mezi dvěma bodovými náboji Q 1 a Q 2 vzdálenými r působí ve vakuu síla F e - vztah pro tuto sílu odvodil Coulomb na základě experimentu - síla působí ve směru spojnice nábojů

Základní veličiny a vztahy - konstantu úměrnosti k můžeme rozepsat jako kde ε 0 označuje permitivitu vakua. Permitivita vakua je číselně rovna

Základní veličiny a vztahy Intenzita elektrického pole - v okolí bodového náboje se vytváří elektrické pole - toto pole popisujeme veličinou intenzita elektrického pole - veličina udává velikost a směr elektrického pole - platí vztah - jednotkou je

Základní veličiny a vztahy Elektrický dipól - molekula může být rozdělena do částí, které nesou opačný náboj - takové uspořádání označujeme jako elektrický dipól - elektrický dipól charakterizujeme dipólovým momentem p - velikost dipólového momentu dvojice nábojů -q a +q ve vzdálenosti l je dána vztahem

Základní veličiny a vztahy - jednotkou je - můžeme se setkat se starší jednotkou debye (značka D) - převod mezi jednotkami je dán vztahem - například dipólový moment molekuly vody je roven

Základní veličiny a vztahy Dipólový moment vybraných látek látkadipólový moment [D] látkadipólový moment [D] nitrobenzen4líh1,71 benzamid3,66fenol1,59 nitrometan3,1anilin1,56 aceton3kys. mravenčí1,5 kyanovodík2,94chloroform1,11 pyridin2,31amoniak0,9 chinolin2,1ozón0,66 chloretan2kyslík0 pyrrol1,8oxid uhličitý0

Základní veličiny a vztahy - působí-li na dielektrikum vnější elektrické pole, dochází k přeskupení nabitých částic uvnitř materiálu - na povrchu dielektrika lze pozorovat VÁZANÝ náboj - toto přeskupení nazýváme polarizace P - polarizace je vektorovým součtem dipólových momentů v jednotce objemu a je dána vztahem

Základní veličiny a vztahy Polarizace  elektronová  orientační  iontová elektronová polarizace – vychýlení kladného atomového jádra a protáhnutí záporného atomového obalu proti směru intenzity elektrického pole

Základní veličiny a vztahy Polarizace orientační polarizace – natočení volných dipólů, které nejsou směrově vázány, ve směru intenzity elektrického pole

Základní veličiny a vztahy Polarizace iontová polarizace – vychýlení iontů ze strukturní mřížky podle směru intenzity elektrického pole

Základní veličiny a vztahy Polarizace - vektor polarizace můžeme rovněž zapsat jako kde je elektrická susceptibilita, která je pro vakuum přesně a pro vzduch přibližně rovna nule - anizotropní dielektrikum: el. susceptibilita tenzorem 2. řádu

Základní veličiny a vztahy Dielektrická konstanta (relativní permitivita) - materiálová konstanta, pro kterou platí - dielektrická konstanta dosahuje u normálních dielektrik hodnot od 1 (vakuum) do 200 (některé fáze ledu) Míra změny kapacity C x kondenzátoru vyplněného dielektrikem oproti kapacitě C 0 prázdného kondenzátoru.

Základní veličiny a vztahy Dielektrická konstanta vybraných látek látkadielektrická konstanta látkadielektrická konstanta oxid titaničitý110porcelán6 kys. sírová100fosgen4,7 voda81,6mentol3,95 kys. dusičná50kokain3,1 glycerol43toluen2,4 etanol24benzen2,3 TNT22petrolej2,1 diamant16,47teflon2,1 mramor8,5vzduch1,000536

Základní veličiny a vztahy Elektrická indukce - tato veličina popisuje účinky elektrického pole na dielektrikum - pro vektor elektrické indukce platí vztah - jednotkou je coulomb na metr čtvereční

Základní veličiny a vztahy Elektrická pevnost - při zvětšení intenzity elektrického pole dochází ke zvýšení koncentrace volných nábojů a jejich pohyblivosti - překročením určité meze dojde k přeskoku jiskry (plyny a kapaliny) nebo průrazu (pevné látky) - průraz může způsobit nevratné změny v materiálu - během průrazu dojde k vytvoření vodivého kanálku, kterým mohou procházet značné proudy

Základní veličiny a vztahy Elektrická pevnost - elektrická pevnost E p udává tedy velikost průrazného napětí U p lineárně přepočítaného na tloušťku dielektrika d. - můžeme tedy zapsat - jednotkou elektrické pevnosti je

Základní veličiny a vztahy Elektrická pevnost vybraných látek látkaelektrická pevnost [kV/cm] látkaelektrická pevnost [kV/cm] slída - flogopit600gutaperča200 sklo500papír160 porcelán340 – 380mikalex150 přírodní asfalt300silikonový olej150 pryž250surový kaučuk150 parafín250nylon140 bakelit240včelí vosk25 – 30 pryskyřičný olej200suchý vzduch20 – 30 šelak200metan20