Przenikalność elektryczna - Polski Serwis Naukowy

Przenikalność elektryczna – wielkość fizyczna charakteryzująca właściwości elektryczne środowiska, oznaczana grecką literą ε (epsilon).

Dla substancji izotropowych jest to wielkość skalarna, równa stosunkowi wartości indukcji pola elektrycznego do wartości natężenia tego pola: $\varepsilon = \frac D E$

W ciałach anizotropowych przenikalność jest tensorem drugiego rzędu (drugiej rangi).

Względna przenikalność elektryczna ośrodka jest to bezwymiarowa wielkość określająca ilokrotnie przenikalność elektryczna danego ośrodka ε jest większa od przenikalności elektrycznej próżni ε0

Pojemnością elektryczną odosobnionego przewodnika nazywamy wielkość fizyczną C równą stosunkowi ładunku q zgromadzonego na przewodniku do potencjału φ tego przewodnika.

Wymiarem przenikalności elektrycznej w układzie SI jest F·m (farad na metr).

Przenikalność elektryczna próżni

Spośród wszystkich ośrodków, najmniejszą przenikalność elektryczną wykazuje próżnia. Wartość ta, oznaczana ε0, jest stałą fizyczną, której wartość, zgodnie z danymi opublikowanymi w 2002 roku przez Komitet Danych dla Nauki i Techniki (CODATA) wynosi w układzie SI:

Pole elektryczne – stan przestrzeni otaczającej ładunki elektryczne lub zmienne pole magnetyczne. W polu elektrycznym na ładunek elektryczny działa siła elektrostatyczna.

Próżnia – w rozumieniu tradycyjnym pojęcie równoważne pustej przestrzeni. We współczesnej fizyce, technice oraz rozumieniu potocznym pojęcie próżni posiada zupełnie odmienne konotacje.

$\varepsilon_0 = 8{,}854187817\cdot 10^{-12}\,\mathrm{\frac {F} {m}}$ $\left[ \varepsilon _{0} \right]=\frac{\operatorname{A}^{2}\operatorname{s}^{4}}{\operatorname{kg}\operatorname{m}^{3}}$

Wygodnym do zapamiętania i dobrym przybliżeniem powyższej wartości przenikalności elektrycznej jest poniższy wzór: $\varepsilon_0 \approx \frac {1} {36 \pi} \cdot 10^{-9} \mathrm{\frac {F} {m}} \,$

Otrzymywana jest wówczas przybliżona wartość 8,841941283·10 F/m.

Przenikalność względna

Osobny artykuł: Względna przenikalność elektryczna.

Przenikalność poszczególnych ośrodków często określa się poprzez bezwymiarową wartość przenikalności względnej, oznaczanej εr. Wielkość ta wskazuje, ile razy przenikalność (bezwzględna) ośrodka jest większa od przenikalności próżni:

Fala - zaburzenie rozprzestrzeniające się w ośrodku lub przestrzeni. Fale przenoszą energię z jednego miejsca do drugiego bez transportu jakiejkolwiek materii. W przypadku fal mechanicznych cząstki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, oscylują wokół położenia równowagi.

Dwójłomność – zdolność ośrodków optycznych do podwójnego załamywania światła (rozdwojenia promienia świetlnego). Substancje, dla których zjawisko zachodzi nazywamy substancjami dwójłomnymi.

$\varepsilon = \varepsilon_r\cdot \varepsilon_0$

Współczynnik εr, zwany dawniej stałą elektryczną ośrodka, przyjmuje wartości od 1 (dla próżni i silnie rozrzedzonych gazów) do dziesiątek tysięcy (dla ferroelektryków).

Zależności związane z przenikalnością elektryczną

Im większa jest przenikalność elektryczna ośrodka, tym mniejsze natężenie pola E wywołanego w tym ośrodku przez tę samą indukcję D. Stąd zastosowanie dielektryków o dużej wartości εr zmniejsza siłę oddziaływania elektrostatycznego pomiędzy ładunkami elektrycznymi. Tym samym powoduje zwiększenie pojemności układów przewodników, co wykorzystuje się w konstrukcji kondensatorów.

Komitet Danych dla Nauki i Techniki (ang. Committee on Data for Science and Technology — CODATA) międzynarodowa organizacja z siedzibą w Paryżu, założona w 1966 roku jako część ICSU (Międzynarodowej Rady Stowarzyszeń Naukowych).

Ładunek elektryczny ciała (lub układu ciał) – fundamentalna własność materii przejawiająca się w oddziaływaniu elektromagnetycznym ciał obdarzonych tym ładunkiem. Ciała obdarzone ładunkiem mają zdolność wytwarzania pola elektromagnetycznego oraz oddziaływania z tym polem. Oddziaływanie ładunku z polem elektromagnetycznym jest określone przez siłę Lorentza i jest jednym z oddziaływań podstawowych.

Wartości przenikalności elektrycznej ε i magnetycznej μ wyznaczają prędkość v rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w ośrodku: $\varepsilon\mu=\frac 1{v^2}$

W przypadku próżni: $\varepsilon_0\mu_0=\frac 1{c^2}$

gdzie: ε0 - przenikalność elektryczna próżni, μ0 - przenikalność magnetyczna próżni, c - prędkość światła w próżni.

Wypełnienie dielektrykiem kondensatora zmienia jego pojemność w stosunku do kondensatora niewypełnionego. Zmiana ta jest opisana przez następującą zależność:

Metr to jednostka podstawowa długości w układach: SI, MKS, MKSA, MTS, oznaczenie m. Metr został określony 26 marca 1791 roku we Francji, ze względu na potrzebę korzystania z dziesiętnego systemu miar[potrzebne źródło]. W myśl definicji zatwierdzonej przez XVII Generalną Konferencję Miar i Wag w 1983 jest to odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s.

Dielektryk, izolator elektryczny – materiał, w którym bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny. Może to być rezultatem niskiej koncentracji ładunków swobodnych, niskiej ich ruchliwości, lub obu tych czynników równocześnie. Oporność właściwa dielektryków jest większa od 106 Ωm (dla dobrych przewodników, np. metali, wynosi 10−8–10−6 Ωm).

$\varepsilon _r = \frac{C}{C_0}$

gdzie C0 - pojemność kondensatora próżniowego o danej geometrii, C - pojemność tego samego kondensatora po wypełnieniu badanym dielektrykiem. εr - względna przenikalność elektryczna.

Można uogólnić tę definicję na zespoloną przenikalność jeśli się wprowadzi pojęcie zespolonej pojemności. Przenikalność elektryczna, o której była mowa dotąd jest jej rzeczywistą składową a jej część urojona jest związana z przewodnością.

Równania Maxwella – cztery podstawowe równania elektrodynamiki klasycznej sformułowane przez Jamesa Clerka Maxwella. Opisują one właściwości pola elektrycznego i magnetycznego oraz zależności między tymi polami.

Przewodnik elektryczny – substancja, która dobrze przewodzi prąd elektryczny, a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy. Atomy przewodnika tworzą wiązania, w których elektrony walencyjne (jeden, lub więcej) pozostają swobodne (nie związane z żadnym z atomów), tworząc w ten sposób tzw. gaz elektronowy.

W ośrodkach anizotropowych wektory natężenia i indukcji pola elektrycznego mogą być nierównoległe. Dla takich ośrodków stosuje się ogólniejszą definicję przenikalności elektrycznej: $\vec{D}=\hat{\varepsilon }\vec{E}$

w której $\hat{\varepsilon }$ jest tensorem przenikalności elektrycznej.

Oznacza to, że w ośrodku takim przenikalność ma różne wartości w różnych kierunkach. To pociąga za sobą różnicę w prędkości rozchodzenia się światła (patrz związek powyżej) – a zatem i współczynnika załamania – zależnie od kierunku polaryzacji światła. Zjawisko to nazywa się podwójnym załamaniem albo dwójłomnością. Spośród substancji naturalnych zjawisko dwójłomności wykazuje między innymi kalcyt.

Załamanie w fizyce to zmiana kierunku rozchodzenia się fali (refrakcja fali) związana ze zmianą jej prędkości, gdy przechodzi do innego ośrodka. Zmiana prędkości powoduje zmianę długości fali, a częstotliwość pozostaje stała.

Definicja intuicyjna: Tensor – uogólnienie pojęcia wektora; wielkość, której własności pozostają identyczne niezależnie od wybranego układu współrzędnych.

Współcześnie odchodzi się od nazwy "przenikalność dielektryczna" na rzecz "przenikalność elektryczna", gdyż to drugie określenie lepiej oddaje charakter wielkości ε w pełnym zakresie jej wartości.

Zobacz też

przenikalność magnetyczna

równania Maxwella