Dielektrické materiály: Definice, vlastnosti a aplikace
Dielektrický materiál je definován jako elektrický izolátor, který může být polarizován při použití elektrického pole. To znamená, že když je dielektrický materiál umístěn do elektrického pole, nedovolí protéct elektrické náboje, ale místo toho zarovná své vnitřní elektrické dipóly (páry opačných nábojů) ve směru pole. Toto zarovnání snižuje celkové elektrické pole uvnitř dielektrického materiálu a zvyšuje kapacitance kondenzátoru, který ho používá.
Jak fungují dielektrické materiály?
Abychom pochopili, jak dielektrické materiály fungují, musíme znát některé základní koncepty elektromagnetismu.
Elektrické pole je oblast prostoru, kde elektrický náboj zažije sílu. Směr elektrického pole je směrem síly na kladný náboj, a velikost elektrického pole je úměrná síle této síly. Elektrická pole jsou vytvářena elektrickými náboji nebo se měnícími magnetickými poli.
Elektrická polarizace
Elektrická polarizace je oddělení kladných a záporných nábojů uvnitř materiálu v důsledku externího elektrického pole. Když je materiál polarizován, vyvíjí elektrický dipólový moment, který je měrou, jak moc jsou náboje odděleny a jak jsou zarovnány. Elektrický dipólový moment materiálu je úměrný jeho elektrické podvratnosti, což je měra, jak snadno lze materiál polarizovat.
Kapacitance
Kapacitance je schopnost systému ukládat elektrický náboj. Kondenzátor je zařízení, které se skládá ze dvou vodičů (desek) oddělených izolačním materiálem (dielektrik). Když je na desky aplikováno napětí, vytvoří se mezi nimi elektrické pole a náboje se akumulují na každé desce. Kapacitance kondenzátoru je úměrná ploše desk, nepřímo úměrná vzdálenosti mezi nimi a přímo úměrná dielektrické konstantě izolačního materiálu.
Vlastnosti dielektrických materiálů
Některé důležité vlastnosti dielektrických materiálů jsou:
Dielektrická konstanta: Je to bezrozměrná veličina, která ukazuje, o kolik materiál zvětší kapacitance kondenzátoru v porovnání s vakuem. Je také nazývána relativní permitivita nebo poměr permitivity. Dielektrická konstanta vakuu je 1, a dielektrická konstanta vzduchu je asi 1,0006. Materiály s vysokou dielektrickou konstantou zahrnují vodu (asi 80), barium titanát (asi 1200) a strontium titanát (asi 2000).
Dielektrická síla: Je to maximální elektrické pole, které materiál může snést bez rozpadu nebo stávání vodivým. Měří se v voltách na metr (V/m) nebo kilovoltách na milimetr (kV/mm). Dielektrická síla vzduchu je asi 3 MV/m, a dielektrická síla skla je asi 10 MV/m.
Dielektrické ztráty: Jsou to množství energie, které se rozptyluje jako teplo, když se na materiál aplikuje střídavé elektrické pole. Měří se pomocí tan delta nebo faktor disipace, což je poměr imaginární části k reálné části komplexní permitivity. Dielektrické ztráty závisí na frekvenci a teplotě elektrického pole, stejně jako na struktuře a čistotě materiálu. Materiály s nízkými dielektrickými ztrátami jsou žádoucí pro aplikace, které vyžadují vysokou efektivitu a nízké ohřevání.
Druhy a příklady dielektrických materiálů
Dielektrické materiály lze klasifikovat do různých typů podle jejich molekulární struktury a mechanismu polarizace. Některé běžné typy a příklady jsou:
Vakuum: Jedná se o absence hmoty a tedy nemá polarizaci. Má dielektrickou konstantu 1 a žádné dielektrické ztráty.
Plyn: Tyto materiály jsou složeny z atomů nebo molekul, které jsou volně spojené a mohou se volně pohybovat. Mají nízké dielektrické konstanty (blízko 1) a nízké dielektrické ztráty. Příklady zahrnují vzduch, dusík, helium a síran hexafluorid.
Kapaliny: Tyto materiály jsou složeny z molekul, které jsou více pevně vázané než plyny, ale stále se mohou pohybovat. Mají vyšší dielektrické konstanty než plyny (rozmezí od 2 do 80) a vyšší dielektrické ztráty. Příklady zahrnují vodu, transformátorový olej, ethanol a glycerol.
Pevné látky: Tyto materiály jsou složeny z atomů nebo molekul, které jsou silně vázané v pevných pozicích. Mají vyšší dielektrické konstanty než kapaliny (rozmezí od 3 do 2000) a vyšší dielektrické ztráty. Příklady zahrnují sklo, keramiku, plast, kaučuk, papír, miku a křemu.
Aplikace dielektrických materiálů
Dielektrické materiály mají mnoho aplikací v různých oblastech vědy a inženýrství. Některé příklady jsou:
Kondenzátory: Jsou to zařízení, která ukládají elektrický náboj a energii pomocí dielektrických materiálů mezi dvěma vodiči. Kondenzátory se používají pro filtraci, vyhlazování, časování, spojování, dekuplování, ladění, senzorování a převod energie v elektronických obvodech.
Izolátory: Jsou to materiály, které brání elektrickému proudu, aby protékaly tím, že používají svou vysokou odpor a vysokou dielektrickou sílu. Izolátory se používají k ochraně, izolaci, podpoře a oddělení elektrických součástek a drátů.
Transducery: Jsou to zařízení, která převádějí jednu formu energie na jinou pomocí dielektrických materiálů, které vykazují piezoelektrické nebo elektrostrikční vlastnosti. Piezoelektrické vlastnosti jsou vlastnosti některých materiálů generovat elektrické napětí, když jsou vystaveny mechanickému stresu, nebo naopak. Elektrostrukce je vlastnost některých materiálů změnit svou tvar nebo rozměr, když jsou vystaveny elektrickému poli, nebo naopak. Transducery se používají k generování, detekci, měření a řízení zvukových vln, ultrazvukových vln, vibrací, tlaku, síly, posunu, teploty atd.
