Dielektrische Materialien: Definition, Eigenschaften und Anwendungen
Ein dielektrisches Material wird als elektrischer Isolator definiert, der durch ein angewendetes elektrisches Feld polarisiert werden kann. Das bedeutet, dass, wenn ein dielektrisches Material in ein elektrisches Feld gebracht wird, es nicht erlaubt, dass elektrische Ladungen durch es fließen, sondern stattdessen seine inneren elektrischen Dipole (Paare von entgegengesetzten Ladungen) in Richtung des Feldes ausrichtet. Diese Ausrichtung reduziert das gesamte elektrische Feld innerhalb des dielektrischen Materials und erhöht die Kapazität eines Kondensators, der es verwendet.
Wie funktionieren dielektrische Materialien?
Um zu verstehen, wie dielektrische Materialien funktionieren, müssen wir einige grundlegende Konzepte der Elektromagnetismus kennen.
Ein elektrisches Feld ist ein Bereich im Raum, in dem eine elektrische Ladung eine Kraft erfährt. Die Richtung des elektrischen Feldes ist die Richtung der Kraft auf eine positive Ladung, und die Stärke des elektrischen Feldes ist proportional zur Stärke der Kraft. Elektrische Felder werden durch elektrische Ladungen oder sich ändernde magnetische Felder erzeugt.
Elektrische Polarisation
Die elektrische Polarisation ist die Trennung von positiven und negativen Ladungen innerhalb eines Materials aufgrund eines externen elektrischen Feldes. Wenn ein Material polarisiert wird, entwickelt es einen elektrischen Dipolmoment, der ein Maß dafür ist, wie stark die Ladungen getrennt und wie sie ausgerichtet sind. Das elektrische Dipolmoment eines Materials ist proportional seiner elektrischen Suszeptibilität, die ein Maß dafür ist, wie leicht es polarisiert werden kann.
Kapazität
Die Kapazität ist die Fähigkeit eines Systems, elektrische Ladung zu speichern. Ein Kondensator ist ein Gerät, das aus zwei Leitern (Platten) besteht, die durch einen Isolator (Dielektrikum) getrennt sind. Wenn eine Spannung über die Platten angelegt wird, wird zwischen ihnen ein elektrisches Feld erzeugt, und Ladungen sammeln sich auf jeder Platte. Die Kapazität eines Kondensators ist proportional zur Fläche der Platten, umgekehrt proportional zum Abstand zwischen ihnen und direkt proportional zur dielektrischen Konstante des Isolators.
Eigenschaften von dielektrischen Materialien
Einige wichtige Eigenschaften von dielektrischen Materialien sind:
Dielektrische Konstante: Dies ist eine dimensionslose Größe, die anzeigt, wie sehr ein Material die Kapazität eines Kondensators im Vergleich zum Vakuum erhöht. Sie wird auch als relative Permittivität oder Permittivitätsverhältnis bezeichnet. Die dielektrische Konstante eines Vakuums beträgt 1, und die dielektrische Konstante von Luft beträgt etwa 1,0006. Materialien mit hohen dielektrischen Konstanten umfassen Wasser (ca. 80), Bariumtitant (ca. 1200) und Strontiumtitant (ca. 2000).
Dielektrische Festigkeit: Dies ist das maximale elektrische Feld, das ein Material ohne Zerfall oder Widerstandsverlust aushalten kann. Es wird in Volt pro Meter (V/m) oder Kilovolt pro Millimeter (kV/mm) gemessen. Die dielektrische Festigkeit von Luft beträgt etwa 3 MV/m, und die dielektrische Festigkeit von Glas beträgt etwa 10 MV/m.
Dielektrischer Verlust: Dies ist die Menge an Energie, die als Wärme abgegeben wird, wenn ein wechselndes elektrisches Feld auf ein Material angewendet wird. Er wird durch den Verlustwinkel oder Dissipationsfaktor gemessen, der das Verhältnis des imaginären Teils zum realen Teil der komplexen Permittivität ist. Der dielektrische Verlust hängt von der Frequenz und Temperatur des elektrischen Feldes sowie von der Struktur und Reinheit des Materials ab. Materialien mit geringen dielektrischen Verlusten sind für Anwendungen wünschenswert, die hohe Effizienz und geringe Erwärmung erfordern.
Arten und Beispiele von dielektrischen Materialien
Dielektrische Materialien können nach ihrer molekularen Struktur und Polarisierungsmechanismus in verschiedene Arten unterteilt werden. Einige gängige Arten und Beispiele sind:
Vakuum: Dies ist das Fehlen von Materie und hat daher keine Polarisierung. Es hat eine dielektrische Konstante von 1 und keinen dielektrischen Verlust.
Gase: Diese bestehen aus Atomen oder Molekülen, die locker gebunden und frei beweglich sind. Sie haben niedrige dielektrische Konstanten (nahe bei 1) und geringe dielektrische Verluste. Beispiele sind Luft, Stickstoff, Helium und Schwefelhexafluorid.
Flüssigkeiten: Diese bestehen aus Molekülen, die stärker gebunden sind als Gase, aber immer noch beweglich. Sie haben höhere dielektrische Konstanten als Gase (von 2 bis 80) und höhere dielektrische Verluste. Beispiele sind Wasser, Transformator-öl, Ethanol und Glycerin.
Feste: Diese bestehen aus Atomen oder Molekülen, die stark in festen Positionen gebunden sind. Sie haben höhere dielektrische Konstanten als Flüssigkeiten (von 3 bis 2000) und höhere dielektrische Verluste. Beispiele sind Glas, Keramiken, Kunststoffe, Gummi, Papier, Mika und Quarz.
Anwendungen von dielektrischen Materialien
Dielektrische Materialien haben viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Einige Beispiele sind:
Kondensatoren: Dies sind Geräte, die elektrische Ladung und Energie speichern, indem sie dielektrische Materialien zwischen zwei Leitern verwenden. Kondensatoren werden in elektronischen Schaltkreisen zur Filterung, Glättung, Zeitsteuerung, Kopplung, Entkopplung, Abstimmung, Sensing und Energieumwandlung eingesetzt.
Isolatoren: Dies sind Materialien, die verhindern, dass elektrischer Strom durch sie fließt, indem sie ihre hohe Widerstandsfähigkeit und hohe dielektrische Festigkeit nutzen. Isolatoren werden verwendet, um elektrische Bauteile und Drähte zu schützen, zu isolieren, zu stützen und zu trennen.
Transduzenten: Dies sind Geräte, die eine Form von Energie in eine andere umwandeln, indem sie dielektrische Materialien verwenden, die piezoelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften aufweisen. Piezoelektrizität ist die Eigenschaft einiger Materialien, elektrische Spannung zu erzeugen, wenn sie mechanisch beansprucht werden, und umgekehrt. Elektrostriktion ist die Eigenschaft einiger Materialien, ihre Form oder Größe zu ändern, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt sind, und umgekehrt. Transduzenten werden verwendet, um Schallwellen, Ultraschallwellen, Vibrationen, Druck, Kraft, Verschiebung, Temperatur usw. zu erzeugen, zu detektieren, zu messen und zu steuern.
Photonische Geräte: Dies sind Geräte, die Lichtwellen durch die Verwendung von dielektrischen Materialien manipulieren, die optische Eigenschaften wie Brechung, Reflexion, Absorption, Streuung, Dispersion, Doppelbrechung usw. aufweisen. Photonische Geräte werden verwendet, um Lichtsignale zu übertragen, zu empfangen, zu modulieren, zu schalten, zu filtern, zu verstärken, zu teilen, zu kombinieren, zu speichern, zu verarbeiten, anzuzeigen, zu visualisieren, zu messen usw.
Speichergeräte: Dies sind Geräte, die Informationen speichern, indem sie dielektrische Materialien verwenden, die
