מקדם דיאלקטרי

מקדם דיאלקטרי (פרמיטיביות) הוא גודל פיזיקלי המתאר כיצד שדה חשמלי משפיע ומושפע מתווך דיאלקטרי. הוא מייצג את היכולת של חומר להתקטב, כלומר לשנות את סידור המטענים בתוכו, ובכך להקטין את השדה החשמלי בתוך החומר. בקירוב פשוט מקשרים בינו ובין שדה ההעתקה החשמלי D ושדה החשמלי E באמצעות המשוואה D = ε·E, כאשר ε היא הפרמיטיביות.

שדה ההעתקה החשמלית D מתאר את התגובה הכוללת של המטענים בתווך לשדה E החיצוני. בחומר הומוגני, איזוטרופי וליניארי, ε הוא מספר קבוע. בתווך לא הומוגני או לא ליניארי, ε יכול להשתנות במרחב, בתדירות ובעוצמת השדה. בתווך לא איזוטרופי ε הופך להיות טנזור מדרגה שנייה; זהו מקרה שבו הכיוון משנה את התגובה החומרית.

הפרמיטיביות של הריק, ε0, מוגדרת כיחס בין גודל D לגודל E בריק. ערכה בניסוח SI הוא בקירוב 8.8541878×10⁻¹² פאראד למטר (F/m). ε0 משולבת בחוק קולון דרך הקבוע k = 1/(4π ε0), והוא מקשר בין הכוח למטענים בריק.

מקדם דיאלקטרי יחסי εr הוא יחס הפרמיטיביות של חומר לפרמיטיביות של הריק: εr = ε/ε0. בקירוב ε = εr ε0, ולרוב משתמשים גם בביטוי ε = (1 + χe) ε0, כאשר χe היא הסוספטיביליות החשמלית, מדד כמה החומר מקוטב תחת שדה.

בתווך איזוטרופי וקטורי D ו-E מקבילים והמקדם הוא סקלר. בפרט, ε ו-μ של התווך קובעים את מהירות הפאזה של קרינה אלקטרומגנטית דרך החומר לפי ε μ = 1/v². כאשר מופעל שדה על חומר אמיתי זורמים שני סוגי זרמים: זרם הולכה וזרם העתקה. זרם ההעתקה קשור לשינוי באנרגיה האלקטרוסטטית האצורה בחומר והוא תלוי בפולריזציה P ובסוספטיביליות χ.

יש שני מנגנונים עיקריים הקובעים דיאלקטריות:

חלק ממולקולות החומר הן דיפולים קבועים, כלומר הן בעלות שני קצוות טעונים. ללא שדה חיצוני הכיוונים שלהם אקראיים. שדה חיצוני מייצר כיוון מועדף ומיישר חלק מהם. היישור יוצר שדה נגדי ומקטין את השדה הפנימי. בגבולות הומוגניים וליניאריים מקובל להניח שהמומנט הדיפולי הממוצע פרופורציוני לעוצמת השדה.

כאן הדיפולים נוצרים על ידי השדה עצמו. השדה מפעיל כוחות שמזיזים מטענים חיוביים ושליליים בתוך האטומים או המולקולות. התזוזה הזו יוצרת דיפול מושרה שהמומנט שלו בדרך כלל פרופורציוני לעוצמת השדה.

כאשר שדה משתנה בזמן, תגובת החומר אינה מיידית. לכן נהוג להגדיר מקדם דיאלקטרי מרוכב כהתנהגות תלויה בתדירות: ε̂(ω). החלק הממשי ε' מתאר את יכולת החומר לאגור אנרגיה חשמלית, והחלק המדומה ε'' מתאר ספיגת אנרגיה או הפסדים, למשל המרה לחום. בתדירויות גבוהות מופיע שינוי פאזה בין D ל-E, וזה מיוצג באמצעות החלק המדומה.

חומרים מסווגים לפי ε̂ והולכתם σ. כאשר היחס σ/(ωε) גדול מאוד החומר מתנהג כמוליך טוב. כאשר היחס קטן החומר מתנהג כמבודד. עבור תווך בעל הפסדים, הסך הכולל של צפיפות הזרם מקבל תרומות מהולכה ומהעתקה, והמקדם המרוכב מקושר ל-σ דרך הביטוי ε̂ = ε + i σ/ω. בכך ניתן לתאר גם את השפעת ההולכה על התגובה האלקטרומגנטית של החומר.

מקדם דיאלקטרי הוא מספר שאומר כמה חומר "מפחית" שדה חשמלי בתוכו. פרמטיביות היא אותו רעיון במילה אחרת. זה מסביר למה שדה חזק מחוץ לחומר יכול להיות חלש יותר בפנים.

שני שדות חשובים: E הוא השדה החשמלי, ו-D הוא השדה אחרי שהחומר הגיב. ברוב הפעמים D גדול בקשר ל-E לפי מספר שנקרא ε. בריק (אין בו חומר) יש מספר קבוע קטן מאוד שנקרא ε0. המספר הזה שווה בערך 8.85 כפול 10 בחזקת מינוס 12 פאראד למטר. זה ערך חשוב במדידות חשמל.

מקדם דיאלקטרי יחסי אומר כמה חומר חזק יותר מריק. אם εr גדול מ-1, החומר משנה את השדה יותר מאשר ריק.

חלק מהחומרים מורכבים ממולקולות שיש להן צד חיובי וצד שלילי. אלה נקראות דיפולים. בלי שדה חיצוני הדיפולים מסתדרים באקראי. כשיש שדה, חלק מהם מסתדרים בכיוון השדה. זה יוצר שדה נגד ועוזר להקטין את השדה המקורי.

יש חומרים שבהם השדה עצמו מזיז את המטענים בתוך האטומים. ההזזה יוצרת דיפול חדש. גם זה מקטין את השדה הכולל.

כשהשדה משתנה מהר, החומר לא תמיד מתרגל מיד. לפעמים יש "עיכוב" בתגובה. העיכוב יכול לגרום לכך שהחומר יספוג קצת אנרגיה ויהפוך אותה לחום. חשוב לדעת שלפעמים החומר שומר אנרגיה ולפעמים סופג אותה.

מוליכים מעבירים חשמל בקלות והם מסכמים גלים חשמליים. מבודדים מעבירים פחות ומאפשרים לאגור אנרגיה כמו בקבל. רבים מהחומרים ביניהם הם תווכים עם תכונות ביניים. תמיד בוחנים גם את הפרמטיביות וגם את המוליכות כדי להבין מה קורה.