Przenikalność elektryczna a przenikalność magnetyczna - na czym polega różnica?

Przenikalność elektryczna

Dlaczego niektóre kondensatory mogą przechowywać znacznie więcej ładunku niż inne? Odpowiedź wiąże się z właściwością zwaną przenikalnością elektryczną. Zanim zagłębimy się w ten temat, musimy wyjaśnić kilka pojęć.

Przenikalność elektryczna próżni, określana parametrem ε0, wynosi 8,854 × 1012 F/m. Względna przenikalność elektryczna, określana symbolem εr, jest stosunkiem przenikalności elektrycznej danego materiału do przenikalności elektrycznej próżni. Określa ją wzór εr = εm / ε0, gdzie εr to znana nam zmienna, która wpływa na prędkość propagacji sygnału. Jest miarą polaryzacji elektrycznej, która występuje w materiale w odpowiedzi na przyłożony ładunek lub napięcie. Na rysunku 1 przedstawiono płytkę z różnicową parą ścieżek. Przebieg fali ilustruje propagację sygnału wzdłuż ścieżki. Przed pojawieniem się jakiegokolwiek sygnału wszystkie ładunki elektryczne są rozłożone w materiale losowo. Gdy sygnał jest spolaryzowany w jednym kierunku, atomy i cząsteczki w dielektryku są również przyciągane w jednym kierunku (zgodnie z prawem Coulomba, przeciwne ładunki przyciągają się). Gdy sygnał zmienia polaryzację, atomy i cząsteczki są przyciągane w przeciwnym kierunku, polaryzując elektrycznie materiał.

Materiały o dużej względnej przenikalności elektrycznej polaryzują się w większym stopniu. Oznacza to, że mogą przechowywać więcej ładunku. Jeśli taki materiał umieścimy między elektrodami kondensatora, zwiększymy jego pojemność. W tabeli 1 przedstawiono wartości względnej przenikalności elektrycznej dla różnych materiałów. Materiały typowo używane do produkcji kondensatorów wykazują stosunkowo dużą przenikalność elektryczną względną (tantal ≈ 25, ceramika ≈ 38).

Zjawisko fizyczne wyrównywania ładunków w dielektryku w trakcie przejścia sygnału wymaga energii. Energia ta jest tracona przez przechodzący sygnał m.in. w postaci strat w dielektryku. Stratność dielektryczna jest funkcją częstotliwości (wzrasta wraz z częstotliwością) i temperatury. Jedną z praktycznych konsekwencji strat dielektrycznych jest to, że impedancja falowa ścieżki ulega zmianie. Oznacza to, że nie ma jednej, właściwej wartości rezystora dopasowującego. A to z kolei oznacza, że odbicia sygnałów mogą stać się problemem.

Większa przenikalność elektryczna dielektryka zwiększa pojemność między ścieżką i leżącą pod nią powierzchnią metalową. Dlatego dielektryki o większej przenikalności elektrycznej zmniejszają impedancję falową ścieżek. Ponieważ wyrównywanie ładunków pochłania energię sygnału, spowolni on w dielektrykach o większej przenikalności elektrycznej.

Z elektronicznego punktu widzenia pojemność kondensatora lub ścieżki jest określana przez powierzchnię okładzin i odległość między nimi. Jednak właściwości fizyczne materiału między okładzinami mogą mieć dominujący wpływ na pojemność. Należy zauważyć, że przenikalność elektryczna odnosi się do naładowanych cząstek (elektronów) i reprezentowanego przez nie ładunku. Będzie to kontrastować z przenikalnością magnetyczną, opisaną poniżej.

 

Rys. 1. Propagacja sygnału przez dielektryk

Przenikalność magnetyczna

W elektromagnetyzmie przenikalność magnetyczna jest miarą magnetyzacji, którą materiał uzyskuje w odpowiedzi na przyłożone pole magnetyczne. Przenikalność magnetyczna jest zwykle reprezentowana symbolem μ. W makroskopowej formule elektromagnetyzmu pojawiają się dwa różne rodzaje pola magnetycznego:

• pole magnetyzujące H, które jest generowane wokół płynącego prądu elektrycznego oraz emanuje z biegunów magnesów. Jego jednostką w układzie SI jest amper/metr,
• gęstość strumienia magnetycznego B, który działa z powrotem na domenę elektryczną, zakrzywiając ruch ładunków i powodując indukcję elektromagnetyczną. Jego jednostką w układzie SI jest V×s/m2 (tesla).

Względna przenikalność magnetyczna, oznaczona symbolem μT, określa stosunek przenikalności magnetycznej konkretnego medium do przenikalności próżni:

μT = μ/μ0,

gdzie μ0 = 4π × 10–7 H/m jest przenikalnością magnetyczną próżni.

Oddziaływanie przenikalności magnetycznej polega na tym, że "wzmacnia" ona pole magnetyczne, generowane przez przepływ prądu. Na przykład, jeśli uformujemy przewodnik przenoszący prąd w cewkę, jak pokazano na rysunku 2, pole magnetyczne (H) zostanie wytworzone wewnątrz pętli przewodnika. Spowoduje to pojawienie się indukcyjności, której wielkość zależy od geometrii i liczby zwojów. Jeśli materiałem rdzenia wewnątrz pętli jest powietrze, indukcyjność będzie stosunkowo mała. Ale jeśli materiał rdzenia ma dużą przenikalność magnetyczną (na przykład żelazny rdzeń), pole magnetyczne będzie znacznie większe, generując znacznie większą indukcyjność w cewce.

Zatem, z elektronicznego punktu widzenia, wielkość indukcyjności zależy od geometrii cewki. Ale właściwości fizyczne materiału wewnątrz tej pętli mogą mieć dominujący wpływ na indukcyjność.

Pod względem przenikalności magnetycznej istnieją trzy rodzaje materiałów: diamagnetyczne, paramagnetyczne i ferromagnetyczne. Materiały ferromagnetyczne są jedynymi, które znacząco koncentrują pole magnetyczne wokół przewodnika. Projektanci obwodów ogólnie interesują się tylko materiałami ferromagnetycznymi. Tylko cztery powszechne pierwiastki są ferromagnetyczne: Fe (żelazo), Co (kobalt), Ni (nikiel) i Gd (gadolin).

 

Rys. 2. Drut owinięty wokół toroidu

Podstawową przyczyną przenikalności magnetycznej jest spin elektronu (w przeciwieństwie do ładunku elektronu, tworzącego przenikalność elektryczną). Przepływ prądu przez przewód generuje powstające wokół niego pole magnetyczne (prawo Faradaya). Spin elektronu tworzy moment magnetyczny na poziomie atomowym. Ogólnie rzecz biorąc, spin elektronu jest chaotyczny i losowy dla większości materiałów. Ale tendencja (zdolność) wielu elektronów do wyrównania ich spinu w tym samym kierunku jest cechą, która tworzy przenikalność magnetyczną. W niektórych materiałach ta orientacja jest tylko tymczasowa i znika, gdy zewnętrzne pole magnetyczne zostaje usunięte. Ale w niektórych materiałach i w określonych warunkach materiał może pozostać trwale namagnesowany.