Jaka jest stała dielektryczna?

Stała dielektryczna jest wartością związaną z materiałem umieszczonym między płytami kondensatora (lub kondensatora - rysunek 1), co pozwala zoptymalizować i zwiększyć jego funkcję. (Giancoli, 2006). Dielektryk jest synonimem izolacji elektrycznej, to znaczy materiałów, które nie pozwalają na przepływ prądu elektrycznego.

Ta wartość jest ważna z wielu względów, ponieważ dla wszystkich powszechne jest używanie sprzętu elektrycznego i elektronicznego w naszych domach, pomieszczeniach rekreacyjnych, edukacyjnych lub pracy, ale z pewnością nie znamy skomplikowanych procesów, które występują w tych urządzeniach, aby mogły funkcjonować.

Na przykład nasze mini komponenty, telewizory i urządzenia multimedialne wykorzystują prąd stały do ​​swoich funkcji, ale prądy domowe i przemysłowe docierające do naszych domów i miejsc pracy to prądy zmienne. Jak to możliwe?

Odpowiedź na to pytanie dotyczy tego samego sprzętu elektrycznego i elektronicznego: kondensatorów (lub kondensatorów). Komponenty te pozwalają między innymi na prostowanie prądu przemiennego do prądu stałego, a jego funkcjonalność zależy od geometrii lub kształtu kondensatora i materiału dielektrycznego występującego w jego konstrukcji.

Materiały dielektryczne odgrywają ważną rolę, ponieważ pozwalają płytkom, które tworzą kondensator, być bardzo blisko, bez dotykania ich, i całkowicie zakrywać przestrzeń między tymi płytami materiałem dielektrycznym, aby zwiększyć funkcjonalność kondensatorów.

Pochodzenie stałej dielektrycznej: kondensatory i materiały dielektryczne

Wartość tej stałej jest wynikiem eksperymentalnym, to znaczy pochodzi z doświadczeń przeprowadzonych z różnymi rodzajami materiałów izolacyjnych i skutkuje tym samym zjawiskiem: wzrostem funkcjonalności lub wydajności kondensatora.

Kondensatory są związane z wielkością fizyczną zwaną pojemnością „C” i określają ilość ładunku elektrycznego „Q”, którą kondensator może przechowywać, gdy dostarcza pewną różnicę potencjału „ΔV” (równanie 1).

Eksperymenty wykazały, że poprzez całkowite pokrycie przestrzeni między płytami kondensatora materiałem dielektrycznym kondensatory zwiększają swoją pojemność o współczynnik κ, zwany „stałą dielektryczną”. (Równanie 2).

Figura 3 przedstawia ilustrację kondensatora pojemnościowego C obciążonych równoległych płaskich płyt, a w konsekwencji jednolitego pola elektrycznego skierowanego w dół między jego płyty.

W górnej części rysunku znajduje się kondensator z próżnią między jego płytami (próżnia - przenikalności ε0). Następnie w dolnej części prezentowany jest ten sam kondensator o pojemności C '> C, z dielektrykiem między jego płytkami (przenikalności ε).

Figueroa (2005), wymienia trzy funkcje dla materiałów dielektrycznych w kondensatorach:

1. Umożliwiają sztywną i zwartą konstrukcję z niewielkim odstępem między płytkami przewodzącymi.
2. Umożliwiają przyłożenie wyższego napięcia bez powodowania wstrząsu (pole elektryczne pęknięcia jest większe niż powietrze)
3. Zwiększ pojemność kondensatora o współczynnik κ znany jako stała dielektryczna materiału.

Tak więc autor wskazuje, że κ „jest nazywane stałą dielektryczną materiału i mierzy reakcję jego dipoli molekularnych na zewnętrzne pole magnetyczne”. Oznacza to, że stała dielektryczna jest większa, im większa polaryzacja cząsteczek materiału.

Modele atomowe dielektryków

Materiały przedstawiają na ogół specyficzne układy molekularne, które zależą od samych cząsteczek i elementów, które je tworzą w każdym materiale. Wśród układów molekularnych, które wpływają na procesy dielektryczne, znajdują się tak zwane „cząsteczki polarne” lub spolaryzowane.

W molekułach polarnych istnieje separacja między średnią pozycją ładunków ujemnych a średnią pozycją ładunków dodatnich, powodując, że mają one bieguny elektryczne.

Na przykład cząsteczka wody (rysunek 4) ma trwałą polaryzację, ponieważ środek rozkładu ładunku dodatniego znajduje się w środku między atomami wodoru. (Serway and Jewett, 2005).

Podczas gdy w cząsteczce BeH2 (wodorek berylu - Figura 5), ​​cząsteczka liniowa, nie występuje polaryzacja, ponieważ centrum dystrybucji ładunków dodatnich (wodory) znajduje się w środku rozkładu ładunków ujemnych (beryl), anulowanie jakiejkolwiek polaryzacji, która może istnieć. To jest niepolarna cząsteczka.

W tej samej kolejności idei, gdy materiał dielektryczny znajduje się w obecności pola elektrycznego E, cząsteczki zostaną wyrównane w funkcji pola elektrycznego, powodując gęstość ładunku powierzchniowego na powierzchniach dielektryka skierowanych w stronę płyt kondensatora.

Z powodu tego zjawiska pole elektryczne wewnątrz dielektryka jest mniejsze niż zewnętrzne pole elektryczne generowane przez kondensator. Poniższa ilustracja (rysunek 6) pokazuje elektrycznie spolaryzowany dielektryk wewnątrz płaskiego kondensatora.

Ważne jest, aby zauważyć, że zjawisko to jest łatwiejsze w materiałach polarnych niż w materiałach niepolarnych, ze względu na istnienie spolaryzowanych cząsteczek, które oddziałują z większą wydajnością w obecności pola elektrycznego. Chociaż sama obecność pola elektrycznego powoduje polaryzację cząsteczek nopolarnych, wywodzących się z tego samego zjawiska, jak w przypadku materiałów polarnych.

Wartości stałej dielektrycznej w niektórych materiałach

W zależności od funkcjonalności, oszczędności i najwyższej użyteczności kondensatorów, różne materiały izolacyjne są wykorzystywane do optymalizacji ich działania.

Materiały takie jak papier są bardzo ekonomiczne, chociaż mogą zawieść w wysokich temperaturach lub w kontakcie z wodą. Podczas gdy guma pozostaje plastyczna, ale bardziej odporna. Posiadamy również porcelanę, która jest odporna na wysokie temperatury, ale nie może dostosować się do różnych kształtów w razie potrzeby.

Poniżej znajduje się tabela, w której określona jest stała dielektryczna niektórych materiałów, gdzie stałe dielektryczne nie mają jednostek (są bezwymiarowe):

Tabela 1: Stałe dielektryczne niektórych materiałów w temperaturze pokojowej.

Niektóre zastosowania materiałów dielektrycznych

Materiały dielektryczne są ważne w globalnym społeczeństwie z szerokim zakresem zastosowań, od komunikacji naziemnej i satelitarnej, obejmującej między innymi oprogramowanie radiowe, GPS, monitorowanie środowiska poprzez satelity. (Sebastian, 2010)

Ponadto Fiedziuszko i wsp. (2002) opisują znaczenie materiałów dielektrycznych dla rozwoju technologii bezprzewodowej, w tym dla telefonii komórkowej. W swojej publikacji opisują znaczenie tego rodzaju materiału w miniaturyzacji sprzętu.

W tej kolejności pomysłów nowoczesność wywołała duże zapotrzebowanie na materiały o wysokich i niskich stałych dielektrycznych dla rozwoju życia technologicznego. Materiały te są niezbędnymi komponentami urządzeń internetowych pod względem funkcji przechowywania danych, komunikacji i wydajności transmisji danych. (Nalwa, 1999).