Materiały są podzielone na przewodniki, izolatory i półprzewodniki na podstawie ich właściwości przewodzenia prądu. Każdy materiał składa się z cząsteczek, które z kolei składają się z atomów. Pod wpływem pola elektrycznego atomy te w materiale ulegają pewnym przemieszczeniom i zmianom właściwości. W październiku 1745 roku eksperyment przeprowadzony przez Ewalda Georga von Kleista z Niemiec przez podłączenie generatora elektrostatycznego wysokiego napięcia do wody zebranej w ręcznym słoju za pomocą drutu wykazał, że ładunek można przechowywać. Wykorzystując to zjawisko, Pieter van Musschenbroek wynalazł pierwszy kondensator o nazwie „Leyden Jar”. Nową właściwością materiału, która stała się podstawą tego wynalazku, był „dielektryk”.
Co to jest dielektryk?
Każdy materiał składa się z atomów. Atomy zawierają cząstki naładowane zarówno ujemnie, jak i dodatnio. Centralne jądro atomu jest naładowane dodatnio. W każdym materiale atomy są ułożone jako dipole reprezentowane z dodatnim i ujemnym ładunkiem na końcu. Kiedy te materiały są poddawane działaniu pola elektrycznego, następuje moment dipolowy.
Materiał przewodnika zaczyna przewodzić po przyłożeniu elektryczności. Izolator przeciwstawia się przepływowi energii elektrycznej, ponieważ nie ma w swojej strukturze żadnych swobodnie poruszających się elektronów. Ale dielektryk to specjalny rodzaj izolatora, który nie przewodzi elektryczności, ale ulega polaryzacji pod wpływem prądu elektrycznego.
Polaryzacja w dielektryku
W materiałach dielektrycznych pod wpływem pola elektrycznego dodatnie ładunki obecne w materiale są przemieszczane w kierunku przyłożonego pola elektrycznego. Ujemne ładunki są przemieszczane w kierunku przeciwnym do przyłożonego pola elektrycznego. Prowadzi to do polaryzacji dielektrycznej. W materiale dielektrycznym ładunki elektryczne nie przepływają przez materiał. Polaryzacja zmniejsza ogólne pole dielektryka.
Właściwości dielektryka
Termin dielektryk został po raz pierwszy wprowadzony przez Williama Whewella. Jest to połączenie dwóch słów - „Dia” i „elektryczny”. Przewodność elektryczna idealnego dielektryka wynosi zero. Dielektryk przechowuje i rozprasza energię elektryczną podobnie jak idealny kondensator. Niektóre z głównych właściwości materiału dielektrycznego to podatność na elektryczność, polaryzacja dielektryka, dyspersja dielektryka, relaksacja dielektryczna, przestrajalność itp.
Podatność elektryczna
Jak łatwo można spolaryzować materiał dielektryczny poddany działaniu pola elektrycznego, mierzy się podatnością elektryczną. Wielkość ta określa również przepuszczalność elektryczną materiału.
Polaryzacja dielektryczna
Elektryczny moment dipolowy jest miarą separacji ładunku dodatniego i ujemnego w układzie. Zależność między momentem dipolowym (M) a polem elektrycznym (E) daje początek właściwościom dielektryka. Po usunięciu przyłożonego pola elektrycznego atom powraca do swojego pierwotnego stanu. Dzieje się to w sposób wykładniczy. Czas, w którym atom osiąga swój pierwotny stan, nazywany jest czasem relaksacji.
Całkowita polaryzacja
O polaryzacji dielektryka decydują dwa czynniki. Są to powstawanie momentu dipolowego i ich orientacja względem pola elektrycznego. Bazując na elementarnym typie dipolowym, można wyróżnić polaryzację elektroniczną lub jonową. Polaryzacja elektroniczna P.jestwystępuje, gdy cząsteczki dielektryczne tworzące moment dipolowy składają się z cząstek obojętnych.
Polaryzacja jonowa P.jai polaryzacja elektroniczna oba są niezależne od temperatury. Trwałe momenty dipolowe są wytwarzane w cząsteczkach, gdy występuje asymetryczny rozkład ładunku między różnymi atomami. W takich przypadkach polaryzacja orientacyjna Plubjest obserwowany. Jeśli w materiale dielektrycznym obecny jest wolny ładunek, doprowadziłoby to do polaryzacji ładunku kosmicznego P.s. Całkowita polaryzacja dielektryka obejmuje wszystkie te mechanizmy. Zatem całkowita polaryzacja materiału dielektrycznego wynosi
P.Całkowity= Pja+ Pjest+ Plub+ Ps
Dyspersja dielektryczna
Kiedy P jest maksymalną polaryzacją osiągniętą przez dielektryk, trjest czasem relaksacji dla określonego procesu polaryzacji, proces polaryzacji dielektrycznej można wyrazić jako
P (t) = P [1-exp (-t / tr)]
Czas relaksacji jest różny dla różnych procesów polaryzacji. Polaryzacja elektronowa jest bardzo szybka, po której następuje polaryzacja jonowa. Polaryzacja orientacyjna jest wolniejsza niż polaryzacja jonowa. Polaryzacja ładunku kosmicznego jest bardzo powolna.
Awaria dielektryczna
Po przyłożeniu wyższych pól elektrycznych izolator zaczyna przewodzić i zachowuje się jak przewodnik. W takich warunkach materiały dielektryczne tracą swoje właściwości dielektryczne. Zjawisko to znane jest jako przebicie dielektryczne. To nieodwracalny proces. Prowadzi to do uszkodzenia materiałów dielektrycznych.
Rodzaje materiałów dielektrycznych
Dielektryki są podzielone na kategorie na podstawie rodzaju cząsteczek obecnych w materiale. Istnieją dwa rodzaje dielektryków - dielektryki polarne i dielektryki niepolarne.
Dielektryki polarne
W dielektrykach polarnych środek masy cząstek dodatnich nie pokrywa się ze środkiem masy cząstek ujemnych. Tutaj istnieje moment dipolowy. Cząsteczki mają asymetryczny kształt. Po przyłożeniu pola elektrycznego cząsteczki ustawiają się w jednej linii z polem elektrycznym. Po usunięciu pola elektrycznego obserwuje się losowy moment dipolowy, a moment dipolowy netto w cząsteczkach staje się zerowy. Przykładami są H2O, CO2 itp…
Dielektryki niepolarne
W niepolarnych dielektrykach środek masy cząstek dodatnich i ujemnych pokrywa się. W tych cząsteczkach nie ma momentu dipolowego. Te cząsteczki mają symetryczny kształt. Przykładami niepolarnych dielektryków są H2, N2, O2 itd.
Przykłady materiałów dielektrycznych
Materiałami dielektrycznymi mogą być ciała stałe, ciecze, gazy i próżnia. Stałe dielektryki są szeroko stosowane w elektrotechnice. Niektóre przykłady sprzedawanych dielektryków to porcelana, ceramika, szkło, papier, itp… Suche powietrze, azot, sześciofluorek siarki i tlenki różnych metali to przykłady gazowych dielektryków. Woda destylowana, olej transformatorowy to typowe przykłady ciekłych dielektryków.
Zastosowania materiału dielektrycznego
Niektóre zastosowania dielektryków są następujące:
- Są one używane do magazynowania energii w kondensatory .
- Aby zwiększyć wydajność urządzenia półprzewodnikowego, stosuje się materiały dielektryczne o wysokiej przenikalności.
- Dielektryki są używane w Wyświetlacze ciekłokrystaliczne.
- Ceramiczny dielektryk jest używany w oscylatorze rezonatora dielektrycznego.
- Cienkie warstwy tytanianu baru i strontu są dielektrykiem, który jest stosowany w urządzeniach przestrajalnych mikrofalowo, zapewniając wysoką przestrajalność i niski prąd upływu.
- Parylen stosowany w powłokach przemysłowych działa jako bariera między podłożem a środowiskiem zewnętrznym.
- W elektrycznym transformatory oleje mineralne są stosowane jako ciekły dielektryk i wspomagają proces chłodzenia.
- Olej rycynowy jest stosowany w kondensatorach wysokiego napięcia w celu zwiększenia jego wartości pojemności.
- Elektrety, specjalnie przetworzony materiał dielektryczny, działa jako elektrostatyczny odpowiednik magnesów.
FAQs
1). Jakie jest zastosowanie dielektryka w kondensatorach?
Dielektryki zastosowane w kondensatorze pomagają zmniejszyć pole elektryczne, co z kolei zmniejsza napięcie, zwiększając tym samym pojemność.
2). Który materiał dielektryczny jest szeroko stosowany w kondensatorach?
W kondensatorach szeroko stosuje się materiały dielektryczne, takie jak szkło, ceramika, powietrze, mika, papier, folia z tworzywa sztucznego.
3). Który materiał ma największą wytrzymałość dielektryczną?
Zauważono, że idealna próżnia ma najwyższą wytrzymałość dielektryczną.
4). Czy wszystkie izolatory są dielektrykami?
Nie, chociaż dielektryki zachowują się jak izolatory, nie wszystkie izolatory są dielektrykami.
Zatem dielektryki stanowią ważną część kondensatorów. Dobry materiał dielektryczny powinien mieć dobrą stałą dielektryczną, wytrzymałość dielektryczną, niski współczynnik strat, stabilność w wysokich temperaturach, wysoką stabilność podczas przechowywania, dobrą odpowiedź częstotliwościową i powinien być przystosowany do procesów przemysłowych. Dielektryki odgrywają również istotną rolę w obwodach elektronicznych o wysokiej częstotliwości. Pomiar właściwości dielektrycznych materiału dostarcza informacji o jego właściwościach elektrycznych lub magnetycznych. Co to jest stała dielektryczna?
