Диелектрични материали: Дефиниция, свойства и приложения

Диелектрическият материал се дефинира като електрически изолатор, който може да бъде поляризиран от приложено електрическо поле. Това означава, че когато диелектричен материал е поставен в електрическо поле, той не позволява електрическите заряди да протичат през него, а вместо това подрежда своите вътрешни електрически диполи (пари от противоположни заряди) в посоката на полето. Тази ориентация намалява общото електрическо поле в диелектричния материал и увеличава емпитетността на кондензатор, който го използва.

Как работят диелектричните материали?

За да разберем как работят диелектричните материали, трябва да знаем някои основни понятия от електромагнетизма.

Електрическото поле е област в пространството, където електрическият заряд изпитва сила. Постът на електрическото поле е посоката на силата, действаща върху положителен заряд, а величината на електрическото поле е пропорционална на силата на силата. Електрическите полета се създават от електрически заряди или променящи се магнитни полета.

Електрическа поляризация

Електрическата поляризация е разделението на положителни и отрицателни заряди в материал, причинено от външно електрическо поле. Когато материал е поляризиран, той развива електрически диполен момент, който е мярка за колко са разделени зарядите и как са ориентирани. Електрическият диполен момент на материал е пропорционален на неговата електрическа въскапаност, която е мярка за колко лесно може да бъде поляризиран.

Емпитетност

Емпитетността е способността на система да съхранява електрически заряд. Кондензатор е устройство, което се състои от две проводници (плейти), разделени от изолатор (диелектрик). Когато напрежение се приложи между плейтите, се създава електрическо поле между тях, и зарядите се натрупат на всяка плейта. Емпитетността на кондензатора е пропорционална на площта на плейтите, обратно пропорционална на разстоянието между тях и пряко пропорционална на диелектричната константа на изолатора.

Свойства на диелектричните материали

Някои важни свойства на диелектричните материали са:

• Диелектрична константа: Това е безразмерна величина, която показва колко материал увеличава емпитетността на кондензатор в сравнение с вакуум. Тя се нарича също относителна диелектрична проницаемост или отношение на диелектричната проницаемост. Диелектричната константа на вакуума е 1, а на въздуха – около 1,0006. Материалите с висока диелектрична константа включват вода (около 80), бариев титанат (около 1200) и стронциев титанат (около 2000).

  

• Диелектрична устойчивост: Това е максималното електрическо поле, което материал може да издържи, без да се разпадне или да стане проводник. Измерва се в волтове на метър (V/m) или киловолтове на милиметър (kV/mm). Диелектричната устойчивост на въздуха е около 3 MV/m, а на стъкло – около 10 MV/m.

• Диелектрична загуба: Това е количеството енергия, което се разсейва като топлина, когато се приложи алтернативно електрическо поле към материал. Измерва се чрез тангенс на загубите или фактор на разсейване, който е отношениято на имагинерната част към реалната част на комплексната диелектрична проницаемост. Диелектричната загуба зависи от честотата и температурата на електрическото поле, както и от структурата и чистотата на материала. Материалите с ниска диелектрична загуба са желани за приложения, които изискват висока ефективност и ниско затопляне.

Типове и примери на диелектрични материали

Диелектричните материали могат да бъдат класифицирани в различни типове в зависимост от техната молекулярна структура и механизма на поляризация. Някои общи типове и примери са:

• Вакуум: Това е отсъствието на материя и следователно няма поляризация. Има диелектрична константа 1 и няма диелектрична загуба.

• Газове: Те са съставени от атоми или молекули, които са слабо свързани и могат да се движат свободно. Те имат ниски диелектрични константи (близки до 1) и ниски диелектрични загуби. Примери включват въздух, азот, хелий и сулфур хексафлуорид.

• Течности: Те са съставени от молекули, които са по-тясно свързани от газовете, но все още могат да се движат. Те имат по-високи диелектрични константи от газовете (от 2 до 80) и по-високи диелектрични загуби. Примери включват вода, трансформаторно масло, етанол и глицерол.

  

• Твърди вещества: Те са съставени от атоми или молекули, които са силно свързани в фиксирани позиции. Те имат по-високи диелектрични константи от течности (от 3 до 2000) и по-високи диелектрични загуби. Примери включват стъкло, керамика, пластмаси, каучук, хартия, мика и кварц.

Приложения на диелектричните материали

Диелектричните материали имат много приложения в различни области на науката и инженерството. Някои примери са:

• Кондензатори: Това са устройства, които съхраняват електрически заряд и енергия, използвайки диелектрични материали между два проводника. Кондензаторите се използват за филтриране, сглаживане, времезадаване, свързване, декупливане, настройка, измерване и преобразуване на мощност в електронни вериги.

• Изолатори: Това са материали, които предотвратяват електрически ток от протичане през тях, използвайки високата си съпротивителност и висока диелектрична устойчивост. Изолаторите се използват за защита, изолация, подкрепа и разделение на електрически компоненти и жици.

• Преобразуватели: Това са устройства, които преобразуват една форма на енергия в друга, използвайки диелектрични материали, които проявяват пьезоелектричество или електрострикция. Пьезоелектричеството е свойството на някои материали да генерира електрическо напрежение, когато са подложени на механично напрежение, или обратно. Електрострикцията е свойството на някои материали да променят формата или размера си, когато са подложени на електрическо поле, или обратно. Преобразувателите се използват за генериране, детектиране, измерване и контрол на звукови вълни, ултразвукови вълни, вибрации, налягане, сила, разместване, температура и т.н.

  <