Materiály sú kategorizované ako vodiče, izolátory a polovodiče na základe ich elektrických vodivých vlastností. Každý materiál je tvorený molekulami, ktoré sú zase tvorené atómami. Po vystavení elektrickému poľu tieto atómy v materiáli prechádzajú určitými posunmi a zmenami vlastností. V októbri 1745 experiment, ktorý uskutočnil Ewald Georg von Kleist z Nemecka pripojením elektrostatického generátora vysokého napätia k objemu vody zhromaždenej v ručnej nádobe pomocou drôtu, ukázal, že náboj je možné uskladniť. Pomocou tohto fenoménu vynašiel Pieter van Musschenbroek prvý kondenzátor s názvom „Leyden Jar“. Nová materiálna vlastnosť, ktorá podporovala tento vynález, bola „dielektrická“.
Čo je to dielektrikum?
Každý materiál je tvorený atómami. Atómy obsahujú negatívne aj pozitívne nabité častice. Centrálne jadro atómu je pozitívne nabité. V akomkoľvek materiáli sú atómy usporiadané ako dipóly predstavovaný kladným a záporným nábojom na jeho konci. Keď sú tieto materiály vystavené elektrickému poľu, dôjde k dipólovému momentu.
Vodivý materiál začne viesť, keď je pripojený elektrický prúd. Izolátor je proti toku elektriny, pretože vo svojej štruktúre nemá žiadne voľne sa pohybujúce elektróny. Ale dielektrikum je špeciálny typ izolátora, ktorý nevedie elektrinu, ale pri vystavení elektrine sa polarizuje.
Polarizácia v dielektriku
V dielektrických materiáloch sa pri vystavení elektrickému poľu kladné náboje prítomné v materiáli posunú v smere použitého elektrického poľa. Negatívne náboje sa posúvajú v smere opačnom k použitému elektrickému poľu. To vedie k dielektrickej polarizácii. V dielektrickom materiáli neprúdia elektrické náboje materiálom. Polarizácia znižuje celkové pole dielektrika.
Vlastnosti dielektrika
Pojem dielektrikum prvýkrát predstavil William Whewell. Je to kombinácia dvoch slov - „Dia“ a „elektrický“. Elektrická vodivosť dokonalého dielektrika je nulová. Dielektrikum uchováva a rozptyľuje elektrickú energiu podobne ako ideálny kondenzátor. Niektoré z hlavných vlastností dielektrického materiálu sú elektrická citlivosť, dielektrická polarizácia, dielektrická disperzia, dielektrická relaxácia, laditeľnosť atď.
Elektrická citlivosť
Ako ľahko sa dá polarizovať dielektrický materiál, keď je vystavený elektrickému poľu, sa meria pomocou elektrickej náchylnosti. Táto veličina tiež určuje elektrickú priepustnosť materiálu.
Dielektrická polarizácia
Elektrický dipólový moment je mierou oddelenia záporného a kladného náboja v systéme. Vzťah medzi dipólovým momentom (M) a elektrickým poľom (E) vedie k vlastnostiam dielektrika. Po odstránení aplikovaného elektrického poľa sa atóm vráti do pôvodného stavu. To sa deje exponenciálnym spôsobom rozpadu. Čas, ktorý atóm potrebuje na dosiahnutie pôvodného stavu, sa nazýva relaxačný čas.
Celková polarizácia
O polarizácii dielektrika rozhodujú dva faktory. Sú to tvorba dipólového momentu a ich orientácia vzhľadom na elektrické pole. Na základe typu základného dipólu môže existovať buď elektronická polarizácia, alebo iónová polarizácia. Elektronická polarizácia Pjenastáva, keď sú dielektrické molekuly tvoriace dipólový moment zložené z neutrálnych častíc.
Iónová polarizácia Pia elektronická polarizácia sú nezávislé od teploty. Trvalé dipólové momenty sa vytvárajú v molekulách, keď existuje asymetrické rozloženie náboja medzi rôznymi atómami. V takýchto prípadoch bude orientačná polarizácia Palebosa pozoruje. Ak je v dielektrickom materiáli voľný náboj, viedlo by to k polarizácii vesmírneho náboja Ps. Celková polarizácia dielektrika zahŕňa všetky tieto mechanizmy. Celková polarizácia dielektrického materiálu teda je
PCelkom= Pi+ Strje+ Stralebo+ Strs
Dielektrická disperzia
Keď P je maximálna polarizácia dosiahnutá dielektrikom, trje relaxačný čas pre konkrétny polarizačný proces, proces dielektrickej polarizácie možno vyjadriť ako
P (t) = P [1-exp (-t / t.)r)]
Relaxačný čas sa líši pre rôzne polarizačné procesy. Elektronická polarizácia je veľmi rýchla, po ktorej nasleduje iónová polarizácia. Orientačná polarizácia je pomalšia ako iónová polarizácia. Polarizácia vesmírneho náboja je veľmi pomalá.
Dielektrické zlyhanie
Keď sa aplikujú vyššie elektrické polia, izolátor začne viesť a správa sa ako vodič. Za takýchto podmienok strácajú dielektrické materiály svoje dielektrické vlastnosti. Tento jav je známy ako Dielektrický rozpad. Je to nezvratný proces. To vedie k zlyhaniu dielektrických materiálov.
Druhy dielektrického materiálu
Dielektriká sa kategorizujú na základe typu molekuly prítomnej v materiáli. Existujú dva typy dielektrika - polárna dielektrika a nepolárna dielektrika.
Polárna dielektrika
V polárnych dielektrikách sa ťažisko pozitívnych častíc nekryje s ťažiskom negatívnych častíc. Tu existuje dipólový moment. Molekuly majú asymetrický tvar. Keď sa použije elektrické pole, molekuly sa vyrovnajú s elektrickým poľom. Po odstránení elektrického poľa sa pozoruje náhodný dipólový moment a čistý dipólový moment v molekulách sa stáva nulovým. Príklady sú H2O, CO2 atď.
Nepolárna dielektrika
V nepolárnych dielektrikách sa centrum hmotnosti pozitívnych častíc a negatívnych častíc zhoduje. V týchto molekulách nie je žiadny dipólový moment. Tieto molekuly majú symetrický tvar. Príklady nepolárnych dielektrík sú H2, N2, O2 atď.
Príklady dielektrického materiálu
Dielektrické materiály môžu byť pevné látky, kvapaliny, plyny a vákuum. Pevné dielektriká sa vysoko používajú v elektrotechnike. Niektoré príklady predávaných dielektrík sú porcelán, keramika, sklo, papier atď. Suchým vzduchom, dusíkom, hexafluoridom sírovým a oxidmi rôznych kovov sú príklady plynných dielektrík. Destilovaná voda a transformátorový olej sú bežnými príkladmi kvapalných dielektrií.
Aplikácie dielektrického materiálu
Niektoré z aplikácií dielektrika sú nasledujúce -
- Používajú sa na uskladnenie energie v kondenzátory .
- Na zvýšenie výkonu polovodičového zariadenia sa používajú dielektrické materiály s vysokou permitivitou.
- Dielektriká sa používajú v Displeje z tekutých kryštálov.
- Keramické dielektrikum sa používa v dielektrickom rezonátorovom oscilátore.
- Tenké vrstvy bária a stroncia titaničitanu sú dielektrické, ktoré sa používajú v mikrovlnne laditeľných zariadeniach, ktoré poskytujú vysokú laditeľnosť a nízky zvodový prúd.
- Parylén sa používa v priemyselných náteroch ako bariéra medzi podkladom a vonkajším prostredím.
- V elektrickej transformátory , minerálne oleje sa používajú ako tekuté dielektrikum a pomáhajú pri chladení.
- Ricínový olej sa používa vo vysokonapäťových kondenzátoroch na zvýšenie jeho kapacitnej hodnoty.
- Elektrety, špeciálne spracovaný dielektrický materiál, pôsobí ako elektrostatický ekvivalent magnetom.
Časté otázky
1). Aké je použitie dielektrika v kondenzátoroch?
Dielektrika použitá v kondenzátore pomáha znižovať elektrické pole, čo zase znižuje napätie, a tým zvyšuje kapacitu.
2). Ktorý dielektrický materiál je široko používaný v kondenzátoroch?
V kondenzátoroch sú široko používané dielektrické materiály ako sklo, keramika, vzduch, sľuda, papier, plastová fólia.
3). Ktorý materiál má najvyššiu dielektrickú pevnosť?
Zaznamenáva sa dokonalé vákuum, ktoré má najvyššiu dielektrickú pevnosť.
4). Sú všetky izolátory dielektriká?
Nie, hoci sa dielektriká správajú ako izolátory, nie všetky izolátory sú dielektriká.
Dielektriká teda tvoria dôležitú súčasť kondenzátorov. Dobrý dielektrický materiál by mal mať dobrú dielektrickú konštantu, dielektrickú pevnosť, nízky stratový faktor, stabilitu pri vysokých teplotách, vysokú stabilitu pri skladovaní, dobrú frekvenčnú odozvu a mal by byť upraviteľný pre priemyselné procesy. Dielektrika tiež hrá dôležitú úlohu vo vysokofrekvenčných elektronických obvodoch. Meranie dielektrických vlastností materiálu poskytuje informácie o jeho elektrických alebo magnetických charakteristikách. Čo je to dielektrická konštanta?
