Диэлектрическая проницаемость воздуха как физическая величина
Как известно, окружающий нас воздух представляет собой комбинацию нескольких газов, поэтому является хорошим диэлектриком. В частности, благодаря этому во многих случаях удается избежать необходимости организации дополнительных изолирующих слоев какого-либо материала вокруг проводника. Сегодня мы поговорим о том, что такое диэлектрическая проницаемость воздуха. Но сначала, пожалуй, начнем с определения того, что именно понимают под термином «диэлектрик».
Все вещества в зависимости от способности проводить электрический ток условно подразделяются на три больших группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Первые оказывают минимальное сопротивление направленному прохождению по ним заряженных частиц. Самая большая их группа - это металлы (алюминий, медь, железо). Вторые проводят ток при определенных условиях (кремний, германий). Ну а электрическое сопротивление третьих настолько велико, что ток по ним не проходит. Яркий пример – воздух.
Что же происходит, когда вещество попадает в зону действия электрического поля? Для проводников ответ очевиден – возникает электрический ток (разумеется, при наличии замкнутого контура, обеспечивающего «путь» для частиц). Так происходит благодаря тому, что изменяется способ взаимодействия зарядов. Совершенно другие процессы происходят при воздействии поля на диэлектрический материал. При изучении взаимодействия частиц, обладающих электрическим зарядом, было замечено, что сила взаимодействия зависит не только от численного значения заряда, но и от среды, разделяющей их. Это важная характеристика получила название «диэлектрическая проницаемость вещества». Фактически, она представляет собой поправочный коэффициент, так как не имеет размерности. Определяется как отношение значения силы взаимодействия в вакууме к значению в какой-либо среде. Физический смысл термина «диэлектрическая проницаемость» следующий: данная величина показывает степень ослабления электрического поля диэлектрическим материалом по сравнению с вакуумом. Причина данного явления кроется в том, что молекулы материала затрачивают энергию поля не на проводимость частиц, а на поляризацию.
Известно, что диэлектрическая проницаемость воздуха равна единице. Много это или мало? Давайте разберемся. Сейчас нет необходимости самостоятельно рассчитывать числовое значение проницаемости для большинства распространенных веществ, так как все эти данные приводятся в соответствующих таблицах. Кстати, именно из подобной таблицы взято значение воздуха, равное единице. Диэлектрическая проницаемость воздуха почти в 8 раз меньше, чем у, например, гетинакса. Зная это число, а также значение зарядов и расстояние между ними, можно вычислить силу их взаимодействия, при условии разделения воздушной средой или пластиной гетинакса.
Формула для силы следующая:
F = (Q1*Q2) / (4* 3.1416* E0*Es*(r*r)),
где Q1 и Q2 – значения зарядов; E0 – проницаемость в вакууме (константа, равная 8.86 в степени -12); Es – диэлектрическая проницаемость воздуха («1» или значение для любого другого вещества, по таблице); r – расстояние между зарядами. Все размерности берутся в соответствии с системой СИ.
Не следует путать два разных понятия – «магнитная проницаемость воздуха» и его же диэлектрическая проницаемость. Магнитная является еще одной характеристикой любого вещества, также представляющей собой коэффициент, однако его смысл другой – взаимосвязь напряженности поля и значения магнитной индукции в определенном веществе. В формулах используется эталонный показатель – магнитная проницаемость для чистого вакуума. Как первое, так и второе понятия используются для выполнения расчетов различных электротехнических устройств.