Mga Materyales sa Dielectric: Pahayag, Katangian ug Paggamit
Ang materyal na dielectric ay inilalarawan bilang isang electrical insulator na maaaring polarized sa pamamagitan ng aplikadong electric field. Ito ang nangangahulugan na kapag isinama ang materyal na dielectric sa electric field, hindi ito nagpapayag para ang electric charges na lumipas dito, ngunit sa halip, ito ay align ang kanyang internal na electric dipoles (pares ng opposite charges) sa direksyon ng field. Ang alignment na ito ay bawas sa kabuuang electric field sa loob ng materyal na dielectric at tumaas ang capacitance ng capacitor na gumagamit nito.
Paano gumagana ang mga materyal na dielectric?
Para maintindihan kung paano gumagana ang mga materyal na dielectric, kailangan natin malaman ang ilang basic na konsepto ng electromagnetism.
Ang electric field ay isang rehiyon ng espasyo kung saan ang electric charge ay nakakaranas ng puwersa. Ang direksyon ng electric field ay ang direksyon ng puwersa sa positive charge, at ang laki ng electric field ay proporsyonal sa lakas ng puwersa. Ang electric fields ay nililikha ng electric charges o pagbabago ng magnetic fields.
Electric polarization
Ang electric polarization ay ang separation ng positive at negative charges sa loob ng materyal dahil sa external na electric field. Kapag polarized ang materyal, ito ay bumuo ng electric dipole moment, na isang sukat kung gaano karaming separated ang charges at paano sila aligned. Ang electric dipole moment ng materyal ay proporsyonal sa kanyang electric susceptibility, na isang sukat kung gaano kabilis ito maaaring polarized.
Capacitance
Ang capacitance ay ang kakayahan ng isang sistema na i-store ang electric charge. Ang capacitor ay isang device na binubuo ng dalawang conductors (plates) na hiwalayin ng isang insulator (dielectric). Kapag aplikado ang voltage sa pagitan ng plates, nililikha ang electric field sa pagitan nila, at nag-accumulate ang charges sa bawat plate. Ang capacitance ng capacitor ay proporsyonal sa area ng plates, inversely proportional sa distansya sa pagitan nila, at directly proportional sa dielectric constant ng insulator.
Mga katangian ng mga materyal na dielectric
Ang ilang mahalagang katangian ng mga materyal na dielectric ay:
Dielectric constant: Ito ay isang dimensionless na quantity na nagpapahiwatig kung gaano karami ang materyal na nagpapataas ng capacitance ng capacitor kumpara sa vacuum. Ito rin ay tinatawag na relative permittivity o permittivity ratio. Ang dielectric constant ng vacuum ay 1, at ang dielectric constant ng hangin ay tungkol sa 1.0006. Ang mga materyal na may mataas na dielectric constants ay kinabibilangan ng tubig (tungkol sa 80), barium titanate (tungkol sa 1200), at strontium titanate (tungkol sa 2000).
Dielectric strength: Ito ay ang maximum na electric field na maaaring tanggapin ng materyal nang hindi ito bumagsak o naging conductive. Ito ay sukatin sa volts per meter (V/m) o kilovolts per millimeter (kV/mm). Ang dielectric strength ng hangin ay tungkol sa 3 MV/m, at ang dielectric strength ng glass ay tungkol sa 10 MV/m.
Dielectric loss: Ito ay ang dami ng enerhiyang nawala bilang heat kapag isinama ang alternating electric field sa materyal. Ito ay sukatin sa pamamagitan ng loss tangent o dissipation factor, na ang ratio ng imaginary part sa real part ng complex permittivity. Ang dielectric loss ay depende sa frequency at temperature ng electric field, pati na rin ang structure at purity ng materyal. Ang mga materyal na may mababang dielectric loss ay desiderable para sa mga application na nangangailangan ng mataas na efficiency at mababa na heating.
Mga uri at halimbawa ng mga materyal na dielectric
Ang mga materyal na dielectric ay maaaring ikategorya sa iba't ibang uri batay sa kanilang molecular structure at polarization mechanism. Ang ilang karaniwang uri at halimbawa ay:
Vacuum: Ito ang absence ng matter at kaya wala itong polarization. Ito ay may dielectric constant ng 1 at walang dielectric loss.
Gases: Ang mga ito ay binubuo ng atoms o molecules na loosely bound at maaaring move freely. Sila ay may mababang dielectric constants (malapit sa 1) at mababang dielectric losses. Ang mga halimbawa ay kinabibilangan ng hangin, nitrogen, helium, at sulfur hexafluoride.
Liquids: Ang mga ito ay binubuo ng molecules na mas tightly bound kaysa sa gases ngunit maaari pa ring mag-move around. Sila ay may mas mataas na dielectric constants kaysa sa gases (ranging mula 2 hanggang 80) at mas mataas na dielectric losses. Ang mga halimbawa ay kinabibilangan ng tubig, transformer oil, ethanol, at glycerol.
Solids: Ang mga ito ay binubuo ng atoms o molecules na strongly bound sa fixed positions. Sila ay may mas mataas na dielectric constants kaysa sa liquids (ranging mula 3 hanggang 2000) at mas mataas na dielectric losses. Ang mga halimbawa ay kinabibilangan ng glass, ceramics, plastics, rubber, paper, mica, at quartz.
Mga aplikasyon ng mga materyal na dielectric
Ang mga materyal na dielectric ay may maraming aplikasyon sa iba't ibang larangan ng science at engineering. Ang ilang halimbawa ay:
Capacitors: Ang mga ito ay mga device na nagsasave ng electric charge at energy sa pamamagitan ng paggamit ng mga materyal na dielectric sa pagitan ng dalawang conductors. Ang capacitors ay ginagamit para sa filtering, smoothing, timing, coupling, decoupling, tuning, sensing, at power conversion sa electronic circuits.
Insulators: Ang mga ito ay mga materyal na nagpaprevent ng electric current mula sa paglipas dito sa pamamagitan ng kanilang mataas na resistance at mataas na dielectric strength. Ang mga insulators ay ginagamit para sa proteksyon, isolation, support, at separation ng mga electrical components at wires.
Transducers: Ang mga ito ay mga device na nagsasalin ng isa pang form ng energy sa pamamagitan ng paggamit ng mga materyal na dielectric na nagpapakita ng piezoelectricity o electrostriction. Ang piezoelectricity ay ang katangian ng ilang mga materyal na bumubuo ng electric voltage kapag pinagtrabaho ng mechanical stress o vice versa. Ang electrostriction ay ang katangian ng ilang mga materyal na nagbabago ang kanilang hugis o laki kapag pinagtrabaho ng electric field o vice versa. Ang transducers ay ginagamit para sa pagbuo, detection, measurement, at control ng sound waves, ultrasound waves, vibrations, pressure, force, displacement, temperature, etc.
Photonic devices: Ang mga ito ay mga device na manipulates ang light waves sa pamamagitan ng paggamit ng mga materyal na dielectric na nagpapakita ng optical properties tulad ng refraction, reflection, absorption, scattering, dispersion, birefringence, etc. Ang photonic devices ay ginagamit para sa transmission, reception, modulation, switching, filtering, amplification, splitting, combining, storage, processing, display, imaging, sensing, etc., at light signals.
