Materials Dielèctrics: Definició, Propietats i Aplicacions
Un material dielèctric es defineix com un aïllant elèctric que es pot polaritzar per un camp elèctric aplicat. Això significa que quan un material dielèctric es col·loca en un camp elèctric, no permet que les càrregues elèctriques flueixin a través seu, sinó que alineix els seus dipols elèctrics interns (parelles de càrregues oposades) en la direcció del camp. Aquesta alineació redueix el camp elèctric general dins del material dielèctric i augmenta la capacitància d'un condensador que l'utilitza.
Com funcionen els materials dielèctrics?
Per entendre com funcionen els materials dielèctrics, cal conéixer alguns conceptes bàsics de l'electromagnetisme.
Un camp elèctric és una regió de l'espai on una càrrega elèctrica experimenta una força. La direcció del camp elèctric és la direcció de la força sobre una càrrega positiva, i la magnitud del camp elèctric és proporcional a la força. Els camps elèctrics són creats per càrregues elèctriques o camps magnètics canviants.
Polarització elèctrica
La polarització elèctrica és la separació de càrregues positives i negatives dins d'un material degut a un camp elèctric extern. Quan un material es polaritza, desenvolupa un moment dipòlic elèctric, que és una mesura de com estan separades les càrregues i com estan alineades. El moment dipòlic elèctric d'un material és proporcional a la seva susceptibilitat magnètica, que és una mesura de com es pot polaritzar fàcilment.
Capacitància
La capacitància és la capacitat d'un sistema per emmagatzemar càrrega elèctrica. Un condensador és un dispositiu que consta de dos conductors (plaques) separats per un aïllant (dielèctric). Quan es tensió s'aplica entre les plaques, es crea un camp elèctric entre elles, i les càrregues s'acumulen en cada placa. La capacitància d'un condensador és proporcional a l'àrea de les plaques, inversament proporcional a la distància entre elles, i directament proporcional a la constant dielèctrica de l'aïllant.
Propietats dels materials dielèctrics
Algunes propietats importants dels materials dielèctrics són:
Constant dielèctrica: Aquesta és una quantitat adimensional que indica en quina mesura un material augmenta la capacitància d'un condensador en comparació amb el buit. També se l'anomena permisivitat relativa o raó de permisivitat. La constant dielèctrica del buit és 1, i la constant dielèctrica de l'aire és d'aproximadament 1,0006. Materials amb constants dielèctriques altes inclouen l'aigua (aproximadament 80), el titanat de bari (aproximadament 1200), i el titanat de estronci (aproximadament 2000).
Resistència dielèctrica: Aquesta és el màxim camp elèctric que un material pot suportar sense trencar-se o esdevenir conductor. Es mesura en volts per metre (V/m) o kilovolts per mil·límetre (kV/mm). La resistència dielèctrica de l'aire és d'aproximadament 3 MV/m, i la resistència dielèctrica del vidre és d'aproximadament 10 MV/m.
Pèrdua dielèctrica: Aquesta és la quantitat d'energia que es dissipa com a calor quan es li aplica un camp elèctric alternat a un material. Es mesura pel tangent de pèrdua o factor de dissipació, que és la raó entre la part imaginària i la part real de la permisivitat complexa. La pèrdua dielèctrica depèn de la freqüència i la temperatura del camp elèctric, així com de l'estructura i la puretat del material. Són desitjables materials amb baixa pèrdua dielèctrica per a aplicacions que requereixen alta eficiència i baixa calorificació.
Tips i exemples de materials dielèctrics
Els materials dielèctrics es poden classificar en diferents tipus basant-se en la seva estructura molecular i el mecanisme de polarització. Alguns tipus i exemples comuns són:
Buit: Aquest és l'absència de matèria i, per tant, no té polarització. Té una constant dielèctrica de 1 i no té pèrdua dielèctrica.
Gases: Estan compostos per àtoms o molècules que estan lleugerament lligades i poden moure's lliurement. Tenen constants dielèctriques baixes (properes a 1) i baixes pèrdues dielèctriques. Exemples inclosen l'aire, el nitrogen, l'heli, i el fluorur de sòfrega hexafluor.
Liquids: Estan compostos per molècules que estan més lligades que els gases però encara poden moure's. Tienen constants dielèctriques més altes que els gases (que van de 2 a 80) i més pèrdues dielèctriques. Exemples inclosen l'aigua, oli de transformador, etanol, i glicerol.
Sòlids: Estan compostos per àtoms o molècules que estan fortement lligades en posicions fixes. Tinen constants dielèctriques més altes que els líquids (que van de 3 a 2000) i més pèrdues dielèctriques. Exemples inclosen vidre, ceràmiques, plastics, cau, paper, mica, i qüars.
Aplicacions dels materials dielèctrics
Els materials dielèctrics tenen moltes aplicacions en diversos camps de la ciència i l'enginyeria. Alguns exemples són:
Condensadors: Són dispositius que emmagatzemen càrrega i energia elèctrica utilitzant materials dielèctrics entre dos conductors. Els condensadors s'utilitzen per filtrar, allisar, temporitzar, acoblament, desacoblament, ajust, detecció, i conversió d'energia en circuits electrònics.
Aïllants: Són materials que eviten que corrent elèctric flueixi a través seu mitjançant la seva alta resistència i alta resistència dielèctrica. Els aïllants s'utilitzen per protegir, aïllar, suportar, i separar components i fils elèctrics.
Transductors: Són dispositius que converteixen una forma d'energia en una altra utilitzant materials dielèctrics que exhibeixen piezoelectricitat o electrostricció. La piezoelectricitat és la propietat de alguns materials per generar tensió elèctrica quan són subjectes a estrès mecànic o viceversa. L'electrostricció és la propietat de alguns materials per canviar la seva forma o mida quan són subjectes a un camp elèctric o viceversa. Els transductors s'utilitzen per generar, detectar, mesurar, i controlar ones sonores, ones d'ultrasons, vibracions, pressió, força, desplaçament, temperatura, etc.
Dispositius fòtons: Són dispositius que manipulen ones lluminoses utilitzant materials dielèctrics que exhibeixen propietats òptiques com refracció, reflexió, absorció, dispersió, dispersió, birrefringència, etc. Els dispositius fòtons s'utilitzen per transmetre, rebre, modular, commutar, filtrar, amplificar, dividir, combinar, emmagatzemar, processar, mostrar, imaginar, detectar, etc., senyals lluminosos.
