Dielektriske materialer: Definition, egenskaber og anvendelser
En dielektrisk materiale defineres som en elektrisk isolator, der kan polariseres af et anvendt elektrisk felt. Dette betyder, at når et dielektrisk materiale placeres i et elektrisk felt, tillader det ikke elektriske ladninger at flyde gennem det, men justerer i stedet dets interne elektriske dipoler (par af modsatte ladninger) i feltets retning. Denne justering reducerer det samlede elektriske felt inden for det dielektriske materiale og øger den kapacitance hos en kondensator, der bruger det.
Hvordan fungerer dielektriske materialer?
For at forstå, hvordan dielektriske materialer fungerer, skal vi kende nogle grundlæggende begreber om elektromagnetisme.
Et elektrisk felt er et område i rummet, hvor en elektrisk ladning oplever en kraft. Retningen af det elektriske felt er retningen af kraften på en positiv ladning, og størrelsen af det elektriske felt er proportional med styrken af kraften. Elektriske felter opstår ved elektriske ladninger eller ændring magnetiske felter.
Elektrisk polarisering
Elektrisk polarisering er separationen af positive og negative ladninger inden for et materiale på grund af et eksternt elektrisk felt. Når et materiale polariseres, udvikler det et elektrisk dipolmoment, som er en måling af, hvor meget ladningerne er separeret og hvordan de er justeret. Det elektriske dipolmoment af et materiale er proportional med dets elektriske susceptibilitet, som er en måling af, hvor let det kan polariseres.
Kapacitance
Kapacitance er evnen hos et system til at lagre elektriske ladninger. En kondensator er en enhed, der består af to ledere (plader), adskilt af en isolator (dielektrikum). Når en spænding anvendes på pladerne, oprettes der et elektrisk felt mellem dem, og ladninger akkumulerer sig på hver plade. Kondensatorens kapacitance er proportional med pladernes areal, invers proportional med afstanden mellem dem, og direkte proportional med dielektrikums konstant for isolatoren.
Egenskaber ved dielektriske materialer
Nogle vigtige egenskaber ved dielektriske materialer er:
Dielektrisk konstant: Dette er en dimensionsløs størrelse, der angiver, hvor meget et materiale øger kapacitancen af en kondensator sammenlignet med en vakuum. Det kaldes også relativ permittivitet eller permittivitetsforhold. Dielektrisk konstant for et vakuum er 1, og dielektrisk konstant for luft er ca. 1,0006. Materialer med høje dielektriske konstanter inkluderer vand (ca. 80), bariumtitanat (ca. 1200) og strontiumtitanat (ca. 2000).
Dielektrisk styrke: Dette er det maksimale elektriske felt, som et materiale kan modstå uden at bryde ned eller blive ledrigt. Det måles i volt pr. meter (V/m) eller kilovolt pr. millimeter (kV/mm). Dielektrisk styrke for luft er ca. 3 MV/m, og dielektrisk styrke for glas er ca. 10 MV/m.
Dielektrisk tab: Dette er mængden af energi, der dissiperes som varme, når et alternativt elektrisk felt anvendes på et materiale. Det måles ved hjælp af tabtangent eller dissiperingsfaktor, som er forholdet mellem den imaginære del til den reelle del af den komplekse permittivitet. Dielektrisk tab afhænger af frekvensen og temperaturen af det elektriske felt, samt materialets struktur og renhed. Materialer med lav dielektrisk tab er ønskelige for applikationer, der kræver høj effektivitet og lav opvarmning.
Typer og eksempler på dielektriske materialer
Dielektriske materialer kan inddeles i forskellige typer baseret på deres molekylære struktur og polariseringsmekanisme. Nogle almindelige typer og eksempler er:
Vakuum: Dette er fraværet af stof og har derfor ingen polarisering. Det har en dielektrisk konstant på 1 og ingen dielektrisk tab.
Gasser: Disse er sammensat af atomer eller molekyler, der er løst bundet og kan bevæge sig frit. De har lave dielektriske konstanter (tæt på 1) og lave dielektriske tab. Eksempler inkluderer luft, kvælstof, helium og svovhexafluorid.
Flydende stoffer: Disse er sammensat af molekyler, der er mere tæt bundet end gasser, men stadig kan bevæge sig rundt. De har højere dielektriske konstanter end gasser (fra 2 til 80) og højere dielektriske tab. Eksempler inkluderer vand, transformator olie, ethanol og glycerin.
Fast stoffer: Disse er sammensat af atomer eller molekyler, der er stærkt bundet i faste positioner. De har højere dielektriske konstanter end flydende stoffer (fra 3 til 2000) og højere dielektriske tab. Eksempler inkluderer glas, keramik, plastik, gummi, papir, mika og kvarts.
Anvendelser af dielektriske materialer
Dielektriske materialer har mange anvendelser i forskellige felter inden for videnskab og teknologi. Nogle eksempler er:
Kondensatorer: Dette er enheder, der lagrer elektriske ladninger og energi ved at bruge dielektriske materialer mellem to ledere. Kondensatorer bruges til filtrering, jævning, timing, kobling, decoupling, tuning, sensorik og strømforvandling i elektroniske kredsløb.
Isolatorer: Dette er materialer, der forhindrer elektrisk strøm fra at flyde gennem dem ved at bruge deres høje modstand og høje dielektriske styrke. Isolatorer bruges til beskyttelse, isolation, støtte og separation af elektriske komponenter og ledninger.
Transducere: Dette er enheder, der konverterer én form for energi til en anden ved at bruge dielektriske materialer, der viser piezo-elektricitet eller elektrostriction. Piezo-elektricitet er egenskaben hos nogle materialer til at generere elektrisk spænding, når de udsættes for mekanisk stress eller vice versa. Elektrostriction er egenskaben hos nogle materialer til at ændre deres form eller størrelse, når de udsættes for et elektrisk felt eller vice versa. Transducere bruges til at generere, detektere, måle og kontrollere lydbølger, ultralydbølger, vibrationer, tryk, kraft, forskydning, temperatur osv.
Fotoniske enheder: Dette er enheder, der manipulerer lysbølger ved at bruge dielektriske materialer, der viser optiske egenskaber såsom refraction, reflection, absorption, scattering, dispersion, dobbeltbrekningsindeks osv. Fotoniske enheder bruges til transmission, reception, modulation, switching, filtrering, forstærkning, splitting, kombination, lagring, behandling, visning, imaging, sensorik osv. af lys signaler.
