przenikalność elektryczna
Przenikalność elektryczna — Przenikalność elektryczna (ε) – wielkość fizyczna charakteryzująca właściwości elektryczne ośrodka. W ośrodkach anizotropowych przenikalność elektryczna (ε^) definiowana jako stosunek wektora indukcji elektrycznej do wektora natężenia pola elektrycznego. W ośrodkach izotropowych przenikalność elektryczna definiowana jako stosunek indukcji elektrycznej (D) do natężenia pola elektrycznego (EPrzenikalność elektryczna – definicja i jednostka
Bezwzględna przenikalność elektryczna, przenikalność dielektryczna (ε) jest wielkością fizyczną charakteryzującą właściwości elektryczne ośrodka. Wielkość ta opisuje ilość ładunku (ilość anionów, kationów i elektronów swobodnych) potrzebną do wytworzenia jednej jednostki strumienia pola elektrycznego w danym ośrodku. Silniejszy strumień pola elektrycznego powstaje w ośrodku o niską przenikalności (małej liczbie jonów
Przenikalność elektryczna w ośrodkach anizotropowych przyjmuje różne wartości w zależności od kierunku, w związku z czym wektory indukcji i natężenia pola elektrycznego są nierównoległe. Dla ośrodków tych przenikalność elektryczna jest tensorem drugiego rzędu (ε^) i definiowana jest jako stosunek wektora indukcji pola elektrycznego do wektora natężenia pola elektrycznego:
Przenikalność elektryczna (ε) w ośrodkach izotropowych (o jednakowych właściwościach fizycznych) jest wielkością skalarną i definiowana jest jako stosunek wartości indukcji pola elektrycznego do wartości natężenia pola elektrycznego:
Im większa jest wartość przenikalności elektrycznej danego ośrodka, tym mniejsze jest natężenie pola elektrycznego (E) wywołanego w tym ośrodku przez indukcję elektryczną (D) o tej samej wartości.
Jednostką przenikalności elektrycznej w układzie SI jest farad na metr (F/m):
Pojęcie przenikalności elektrycznej jest stosowane głównie w odniesieniu do dielektryków – substancji bardzo słabo przewodzących prąd elektryczny.
Przenikalność elektryczna próżni
Ośrodkiem wykazującym najmniejszą wartość bezwzględnej przenikalności elektrycznej jest próżnia. Przenikalność elektryczna próżni (ε0), określana również jako stała elektryczna, definiowana jest jako stosunek indukcji i natężenia pola elektrycznego w próżni. Wartość tej wielkości fizycznej wynosi:
Do określenia przybliżonej wartości przenikalności elektrycznej próżni wykorzystuje się poniższe zależności:
Względna przenikalność elektryczna
Względna przenikalność elektryczna (εr), określana także jako stała dielektryczna, jest bezwymiarową wielkością fizyczną określającą ilokrotnie przenikalność elektryczna danego ośrodka (ε) jest większa od przenikalności elektrycznej próżni (ε0) (przyjmującej zgodnie w definicją wartość 1).
Zależność ta wyraża się następującym wzorem:
Względna przenikalność dielektryków, zależna od ich temperatury i budowy wewnętrznej, przyłożonego ciśnienia, natężenia oraz częstotliwości przyłożonego pola elektrycznego, przyjmuje następujące wartości:
- teflon – 2,1
- polietylen – 2,25
- polistyren – 2,4-2,7
- papier – 3,5
- krzemionka – 3,9
- beton – 4,5
- guma – 7
- diament – 5,5-10
- sól kuchenna – 3-15
- grafit – 10-15
- krzem – 11,68
- amoniak – 17-26
- metanol – 30
- gliceryna – 41,2-47
- woda – 34,5-88
- kwas fluorowodorowy (0°C) – 83,6
- kwas siarkowy (20-25°C) – 84-100
- lód – 100
- tlenek tytanu (IV) – 86-173
- ferroelektryki – >1000.
Względna przenikalność elektryczna dielektryka (εr) jest związana z pojęciem podatności elektrycznej (Xe), która określa zdolność polaryzacji dielektryka pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Im większa wartość podatności elektrycznej, tym większa jest zdolność dielektryka do polaryzacji w zewnętrznym polu elektrycznym. Zależność tą można przedstawić następującym wzorem:
Pomiar względnej przenikalności elektrycznej
Wyznaczenie wartości względnej przenikalności elektrycznej danej substancji polega na obserwacji jej wpływu na pojemność kondensatora – zdolności do gromadzenia ładunku elektrycznego.
Pojemność kondensatora płaskiego wyraża się następującym wzorem:
Pojemność kondensatora próżniowego można wyznaczyć z wykorzystaniem następującej zależności:
Wypełnienie kondensatora dielektrykiem o określonej przenikalności elektrycznej () zmienia jego pojemność w porównaniu do kondensatora próżniowego (niewypełnionego) zgodnie z poniższym wzorem:
Wykorzystanie substancji o dużej względnej przenikalności elektrycznej () zmniejsza siłę oddziaływania elektrostatycznego pomiędzy ładunkami elektrycznymi, zwiększając pojemność układów przewodników (zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku elektrycznego).
