Проницаемость. Диэлектрическая, магнитная. Применение

Любой используемый в электротехнике материал описывается характеристиками, определяющими его электрические, проводящие и изоляционные свойства. К числу таких показателей наряду с проводимостью и способностью к намагничиванию относят проницаемость (диэлектрическую и магнитную). Обе эти величины отражают характер реакции проводников, диэлектриков и магнитных материалов при воздействии на них внешних электрических и э/м полей.

Диэлектрическая проницаемость – что это такое

Этот показатель характеризует диэлектрические свойства среды или конкретного материала, определяющие их реакцию на воздействие внешнего электрического поля. При определении параметров диэлектрических сред, например, в конденсаторах он вычисляется с помощью следующей формулы:

D = εE

Где «D» – это так называемое «электрическое смещение» конденсатора.
«E» – напряженность электрического поля.
«ε» – показатель, учитывающий диэлектрическую проницаемость изолирующей среды.

У большинства диэлектрических материалов и веществ при слабых полях показатель ε почти не зависит от напряженности Е.

При сильных электрических полях из-за их влияния на проницаемость в некоторых диэлектриках зависимость D от напряженности проявляется нелинейно. Для приведения показателя ε к нормируемому виду вводится еще одна характеристика среды, называемая относительной диэлектрической проницаемостью.

Она указывает на то, в какое количество раз сила взаимодействия F между зарядами в данной среде меньше, чем тот же показатель для вакуума. Относительная величина проницаемости среды экспериментально находится так. Берется конденсатор достаточной емкости, величина которой сначала определяется в вакууме (Co). Затем между обкладками изделия помещают определенный диэлектрик, после чего у него же вновь измеряется аналогичный показатель (Cx). Отношение этих двух величин и будет равно искомой характеристике – относительной диэлектрической проницаемости.

Pronitsaemost 2

Что такое магнитная проницаемость в электротехнике

Напряженность магнитного поля (МП), например, образующегося вокруг любой обмотки с током зависит от нескольких факторов, это:

Количество витков в катушке.
Наличие или отсутствие магнитного сердечника.
Величина тока в обмотке.

Еще один фактор, обязательно учитываемый при определении напряженности э/м поля – магнитная проницаемость среды или сердечника, используемого в намоточном изделии. При вычислениях этого параметра за основу берется его значение в вакууме. Именно с ним затем сравниваются полученные показатели для конкретной среды (относительная проницаемость).

Физическое объяснение способности материалов к намагничиванию

Известно, что любое электропроводящее вещество, помещенное во внешнее МП, намагничивается до определенной степени. На атомарном уровне этот процесс представляется следующим образом:

Вращение электронов по своим орбитам может рассматриваться в виде элементарных круговых токов.
Их циклическое движение формирует собственные магнитные моменты атомов, которые при отсутствии внешнего МП ориентированы беспорядочно.
Под воздействием магнитного поля они принимают упорядоченное положение и выстраиваются в направлении действия внешних сил.
В результате их суммирования в материале или веществе формируется собственное МП.

Характер намагничивания и его величина при одной и той же напряженности внешнего возбудителя у различных диалектиков проявляются по-разному.

Для того чтобы охарактеризовать проводящие материалы и диэлектрики по их способности к намагничиванию – вводится специальный показатель, называемый магнитной проницаемостью. Для каждого конкретного вещества этот параметр будет иметь строго фиксированное значение, определяющее его влияние на плотность действующего магнитного поля.

В связи с этим оно нередко называется «абсолютная проницаемость» для данной среды и обозначается как «μс». Для ее вычисления и регистрации в системе измерений СИ вводится специальная размерная единица – Гн(Генри)/метр (Гн — Генри). В целях приведения к единой форме в физике вводится еще одна величина, соответствующая магнитной проницаемости для вакуума. Она нередко встречается в расчетах характеристик веществ под названием «магнитна постоянная»:

μо=4π 10-7Гн/метр

Если известны обе эти величины – можно получить их отношение, позволяющее более полно оценить абсолютную проницаемость. В итоге мы получаем так называемую «относительную» характеристику вещества, указывающую на его способность к намагничиванию:

μc/μ0=μ

Разновидности магнитных материалов и их характеристики

Относительная магнитная проницаемость – величина безразмерная, а ее значения для различных материалов и сред изменяются в широких пределах. Именно по этому показателю они классифицируются в электротехнике.

Среди всего многообразия магнитных материалов выделяют следующие три группы:

Для материалов и веществ первой группы абсолютная проницаемость μ < 1. Такой показатель наблюдается у ряда металлов (серебро, свинец, медь и цинк), а также у текучей ртути, серы, хлора и воды. В качестве характерного примера обычно рассматривается медь, у которой μ = 0,999995. Именно поэтому медные изделия практически не притягиваются к постоянному магниту.

У второй категории магнитных веществ (парамагнетиков) показатель μ > 1. К ним относятся следующие металлы и среды:

Алюминий.
Олово.
Магний.
Марганец.
Находящийся в воздухе кислород.

В частности, для воздуха этот показатель равен 1,0000031.

Все перечисленные вещества подобно диамагнетикам крайне слабо притягиваются к магниту. При технических расчетах, проводимых с диамагнетиками и парамагнетиками, показатель их проницаемости принимается μ=1. Из-за близости этих значений к единице такой прием не вносит ощутимой погрешности в проводимые вычисления.

Ферромагнетики

Эти материалы выделяются в отдельную группу веществ, занимающих особое место в практических приложениях электротехнической отрасли. Их особенность состоит в том, что показатель проницаемости μ у них намного больше единицы.

К таким веществам в основном относятся металлы. Среди них особо выделяются следующие наименования:

Сталь.
Железо.
Никель.
Чугун.
Кобальт и другие.
К этой же категории обычно относят и сплавы большинства металлов.

Эти вещества имеют очень большой показатель проницаемости, величина которого варьируется в пределах от 600 до 10000 единиц. Именно поэтому они очень сильно притягиваются при приближении к постоянному магниту. Встречаются ферромагнитные материалы, абсолютная проницаемость которых достигает огромных значений, оцениваемых в 100000 единиц. Особое внимание обращается на то, что μ у них непостоянна; она сильно зависит от напряженности МП, а также от вида материала и окружающей температуры.

Значительная величина показателя µ у ферромагнетиков с физической точки зрения объясняется особенностями их структуры. Формирование силового поля таких веществ можно представить так:

В их теле имеются так называемые «домены» или области самостоятельного намагничивания.
В пределах этих образований единичные магнитные моменты круговых микроскопических токов направлены в одну сторону.
В результате их суммирования образуется общее силовое поле с высоким показателем напряженности.

Пока внешнее МП отсутствует – суммарные моменты имеющихся в материале доменов ориентированы беспорядочно, а их общее по объему ферромагнетика значение близко к нулю. При наличии стороннего воздействия они располагаются в одном направлении, существенно усиливая собственное суммарное магнитное поле. Эта особенность ферромагнетиков широко используется в электротехнике при изготовлении хорошо известных компонентов.

Области применения веществ с диэлектрической и магнитной проницаемостью

Диэлектрическая проницаемость веществ (их способность реагировать и оказывать влияние на внешние воздействия) широко используется при изготовлении следующих электротехнических деталей и материалов:

Конденсаторы различного типа.
Электрические преобразователи напряжения и тока – трансформаторы.
Изоляционные материалы.

В радиотехнике этот показатель используется для оценки эффективности излучения передающих станций, а также качества приема сигналов антенными устройствами. В телекоммуникационных системах диэлектрическая проницаемость учитывается при необходимости определения проходимости сигнала по экранированным кабельным линиям.

Этот показатель также важен при оценке работы некоторых видов медицинского оборудования, применяемого при диагностических обследованиях пациентов. Это касается, в частности, такой важной процедуры, как магнитно-резонансная томография и компьютерные методы ранней диагностики.

Способность ферромагнетиков к сильному намагничиванию также широко используется на практике. На основе этих материалов изготавливаются специальные ферромагнитные сердечники, размещаемые в катушках индуктивности и трансформаторах. Их применение позволяет заметно повысить магнитные показатели изделия с сохранением основных намоточных данных (количество витков в катушках). При этом токовые параметры в обмотках удается сохранить на прежнем уровне, не расходуя дополнительной энергии.