Dielektriese Material: Definisie, Eienskappe en Toepassings

'n Dielektriese materiaal word gedefinieer as 'n elektriese insulator wat gepolariseer kan word deur 'n aangebringde elektriese veld. Dit beteken dat wanneer 'n dielektriese materiaal in 'n elektriese veld geplaas word, dit nie elektriese lae laat vloei nie, maar eerder sy interne elektriese dipole (pare van teenoorgestelde lae) in die rigting van die veld uitlyne. Hierdie uilyning verminder die algehele elektriese veld binne die dielektriese materiaal en verhoog die kapasitans van 'n kondensator wat dit gebruik.

Hoe werk dielektriese materiale?

Om te verstaan hoe dielektriese materiale werk, moet ons sommige basiese konsepte van elektromagnetisme ken.

'n Elektriese veld is 'n gebied waar 'n elektriese laai 'n krag ervaar. Die rigting van die elektriese veld is die rigting van die krag op 'n positiewe laai, en die grootte van die elektriese veld is eweredig aan die sterkte van die krag. Elektriese velde word geskep deur elektriese lae of veranderende magnetiese velde.

Elektriese polarisering

Elektriese polarisering is die skeiding van positiewe en negatiewe lae binne 'n materiaal as gevolg van 'n eksterne elektriese veld. Wanneer 'n materiaal gepolariseer word, ontwikkel dit 'n elektriese dipoolmoment, wat 'n maatstaf is van hoeveel die lae geskei is en hoe hulle uitgelyn is. Die elektriese dipoolmoment van 'n materiaal is eweredig aan sy elektriese verweseelbaarheid, wat 'n maatstaf is van hoe maklik dit gepolariseer kan word.

Kapasitans

Kapasitans is die vermoë van 'n stelsel om elektriese lae te stoor. 'n Kondensator is 'n toestel wat bestaan uit twee gelei (plaatjies) geskei deur 'n insulator (dielektriese). Wanneer 'n spanningsverskil oor die plaatjies aangebring word, word 'n elektriese veld tussen hulle geskep, en lae akkumuleer op elke plaatjie. Die kapasitans van 'n kondensator is eweredig aan die area van die plaatjies, inversiewelik eweredig aan die afstand tussen hulle, en direk eweredig aan die dielektriese konstante van die insulator.

Eienskappe van dielektriese materiale

Sommige belangrike eienskappe van dielektriese materiale is:

• Dielektriese konstante: Dit is 'n dimensielose grootheid wat aandui hoeveel 'n materiaal die kapasitans van 'n kondensator vergroot ten opsigte van 'n vakuum. Dit word ook relatiewe permittiwiteit of permittiwiteitsverhouding genoem. Die dielektriese konstante van 'n vakuum is 1, en die dielektriese konstante van lug is ongeveer 1,0006. Materiale met hoë dielektriese konstantes sluit water (ongeveer 80), bariumtitanate (ongeveer 1200), en strontiumtitanate (ongeveer 2000) in.

  

• Dielektriese sterkte: Dit is die maksimum elektriese veld wat 'n materiaal kan trosse sonder om te breek of om geleidend te word. Dit word gemeet in volt per meter (V/m) of kilovolt per millimeter (kV/mm). Die dielektriese sterkte van lug is ongeveer 3 MV/m, en die dielektriese sterkte van glas is ongeveer 10 MV/m.

• Dielektriese verlies: Dit is die hoeveelheid energie wat as hitte verspeel word wanneer 'n alternerende elektriese veld toegepas word op 'n materiaal. Dit word gemeet deur die verlies tangens of dissipasiefaktor, wat die verhouding is van die imaginêre deel tot die werklike deel van die komplekse permittiwiteit. Die dielektriese verlies hang af van die frekwensie en temperatuur van die elektriese veld, sowel as die struktuur en puurheid van die materiaal. Materiale met lae dielektriese verlies is gewild vir toepassings wat hoë effektiwiteit en lae verhitting vereis.

Tipes en voorbeelde van dielektriese materiale

Dielektriese materiale kan in verskillende tipes geklassifiseer word volgens hul molekulêre struktuur en polarisasie-meganisme. Sommige algemene tipes en voorbeelde is:

• Vakuum: Dit is die afwesigheid van materie en het dus geen polarisasie nie. Dit het 'n dielektriese konstante van 1 en geen dielektriese verlies.

• Gasse: Hierdie is saamgestel uit atome of molekules wat los gebonde is en vry kan beweeg. Hulle het lae dielektriese konstantes (naby 1) en lae dielektriese verlies. Voorbeelde sluit lug, stikstof, helium, en swawel heksafluoride in.

• Vloeistowwe: Hierdie is saamgestel uit molekules wat meer vasgebond is as gasse, maar steeds kan rondbeweeg. Hulle het hoër dielektriese konstantes as gasse (varieer van 2 tot 80) en hoër dielektriese verlies. Voorbeelde sluit water, transformer olie, etanol, en glyserol in.

  

• Vaste stowwe: Hierdie is saamgestel uit atome of molekules wat sterk in vaste posisies gebonde is. Hulle het hoër dielektriese konstantes as vloeistowwe (varieer van 3 tot 2000) en hoër dielektriese verlies. Voorbeelde sluit glas, keramiek, plastiek, rubber, papier, mika, en kwartskristal in.

Toepassings van dielektriese materiale

Dielektriese materiale het baie toepassings in verskillende velde van wetenskap en ingenieurswese. Sommige voorbeelde is:

• Kondensators: Hierdie is toestelle wat elektriese lae en energie stoor deur dielektriese materiale tussen twee geleiers te gebruik. Kondensators word gebruik vir filtering, gladmaak, tydsbesturing, koppeling, dekoppeling, afstemming, sensering, en kragomsetting in elektroniese skakels.

• Insulators: Hierdie is materiale wat elektriese stroom voorkom om deur hulle te vloei deur hul hoë weerstand en hoë dielektriese sterkte. Insulators word gebruik vir beskerming, isolering, ondersteuning, en snyding van elektriese komponente en draad.

• Transducers: Hierdie is toestelle wat een vorm van energie na 'n ander omskep deur dielektriese materiale te gebruik wat piezoelektrisiteit of elektrostriksie vertoon. Piezoelektrisiteit is die eienskap van sommige materiale om 'n elektriese spanning te genereer wanneer hulle blootgestel word aan meganiese spanning, of andersom. Elektrostriksie is die eienskap van sommige materiale om hul vorm of grootte te verander wanneer hulle blootgestel word aan 'n elektriese veld, of andersom. Transducers word gebruik vir generering, deteksie, meting, en beheer van klankgolwe, ultrasone golwe, vibrasies, druk, krag, verplasing, temperatuur, ens.

  

• Fotoniese toestelle: Hierdie is toestelle wat liggolwe manipuleer deur dielektriese materiale te gebruik wat optiese eienskappe soos refraksie, refleksie, absorpsie, verstrooiing, dispersie, dubbelspatsing, ens. vertoon. Fotoniese toestelle word gebruik vir oordra, ontvang, modulasie, skakeling, filtering, versterking, splitsing, kombinasie, stoor, verwerk, vertoon, beeldvorming, sensering, ens., en ligseine.