Διηλεκτρικά Υλικά: Ορισμός, Ιδιότητες και Εφαρμογές
Ένα διηλεκτρικό υλικό ορίζεται ως ηλεκτρικό αμήχανο που μπορεί να πολωθεί από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό σημαίνει ότι όταν ένα διηλεκτρικό υλικό τοποθετείται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, δεν επιτρέπει τη διάρροια ηλεκτρικών φορτίων μέσα από αυτό, αλλά αντίθετα, στοιχειώνει τα εσωτερικά ηλεκτρικά δίπολα (ζευγάρια αντίθετων φορτίων) στην κατεύθυνση του πεδίου. Αυτή η στοίχηση μειώνει το συνολικό ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο διηλεκτρικό υλικό και αυξάνει την ικανότητα ενός καταναλωτή που το χρησιμοποιεί.
Πώς λειτουργούν τα διηλεκτρικά υλικά?
Για να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν τα διηλεκτρικά υλικά, πρέπει να γνωρίζουμε κάποιες βασικές έννοιες του ηλεκτρομαγνητισμού.
Ένα ηλεκτρικό πεδίο είναι μια περιοχή του χώρου όπου ένα ηλεκτρικό φορτίο βιώνει μια δύναμη. Η κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου είναι η κατεύθυνση της δύναμης πάνω σε ένα θετικό φορτίο, και η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι ανάλογη με την ισχύ της δύναμης. Τα ηλεκτρικά πεδία δημιουργούνται από ηλεκτρικά φορτία ή μεταβαλλόμενα μαγνητικά πεδία.
Ηλεκτρική πολάριση
Η ηλεκτρική πολάριση είναι η διάκριση θετικών και αρνητικών φορτίων μέσα σε ένα υλικό λόγω εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Όταν ένα υλικό πολαρίζεται, αναπτύσσει ηλεκτρικό διπολικό μομέντο, το οποίο είναι μέτρο του πόσο έχουν χωριστεί τα φορτία και πώς έχουν στοιχειωθεί. Το ηλεκτρικό διπολικό μομέντο ενός υλικού είναι ανάλογο με την ηλεκτρική ευαισθησία, η οποία είναι ένα μέτρο το πόσο εύκολα μπορεί να πολαριστεί.
Ικανότητα
Η ικανότητα είναι η δυνατότητα ενός συστήματος να αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο. Ένας καταναλωτής είναι ένα συστηματικό στοιχείο που αποτελείται από δύο αγωγούς (πλάκες) διαχωρισμένες από ένα αμήχανο (διηλεκτρικό). Όταν εφαρμόζεται ένα δυναμικό στις πλάκες, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ τους, και τα φορτία συσσωρεύονται σε κάθε πλάκα. Η ικανότητα ενός καταναλωτή είναι ανάλογη με την επιφάνεια των πλακών, αντίστροφη ανάλογη με την απόσταση μεταξύ τους, και άμεσα ανάλογη με τη σταθερά διηλεκτρική του αμηχανού.
Ιδιότητες των διηλεκτρικών υλικών
Κάποιες σημαντικές ιδιότητες των διηλεκτρικών υλικών είναι:
Σταθερά διηλεκτρική: Αυτή είναι μια άμετρη ποσότητα που δείχνει πόσο ένα υλικό αυξάνει την ικανότητα ενός καταναλωτή σε σύγκριση με το κενό. Επίσης ονομάζεται σχετική επιτρεπτότητα ή λόγος επιτρεπτότητας. Η σταθερά διηλεκτρική του κενού είναι 1, και η σταθερά διηλεκτρική του αέρα είναι περίπου 1,0006. Υλικά με υψηλές σταθερές διηλεκτρικές περιλαμβάνουν το νερό (περίπου 80), το βαριτιανό τιτανάτο (περίπου 1200) και το στροντιούμ τιτανάτο (περίπου 2000).
Αντοχή διηλεκτρική: Αυτή είναι το μέγιστο ηλεκτρικό πεδίο που ένα υλικό μπορεί να αντέξει χωρίς να καταρρεύσει ή να γίνει αγωγό. Μετρείται σε βολτιές ανά μέτρο (V/m) ή χιλιοβολτιές ανά χιλιοστό μέτρο (kV/mm). Η αντοχή διηλεκτρική του αέρα είναι περίπου 3 MV/m, και η αντοχή διηλεκτρική του γυάλινου είναι περίπου 10 MV/m.
Απώλεια διηλεκτρική: Αυτή είναι η ποσότητα ενέργειας που διαλύεται ως θερμότητα όταν εφαρμόζεται ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο σε ένα υλικό. Μετρείται με την εφαπτομένη απώλειας ή παράγοντα διάσπασης, ο οποίος είναι ο λόγος του φανταστικού μέρους προς το πραγματικό μέρος της περιπλέξους επιτρεπτότητας. Η απώλεια διηλεκτρική εξαρτάται από τη συχνότητα και τη θερμοκρασία του ηλεκτρικού πεδίου, καθώς και από τη δομή και την καθαρότητα του υλικού. Υλικά με χαμηλή απώλεια διηλεκτρική είναι επιθυμητά για εφαρμογές που απαιτούν υψηλή απόδοση και χαμηλή θέρμανση.
Τύποι και παραδείγματα διηλεκτρικών υλικών
Τα διηλεκτρικά υλικά μπορούν να ταξινομηθούν σε διαφορετικούς τύπους με βάση τη μοριακή τους δομή και την μηχανισμό πολάρισης. Κάποιοι κοινοί τύποι και παραδείγματα είναι:
Κενό: Αυτό είναι η απουσία ύλης και, επομένως, δεν έχει πολάριση. Έχει σταθερά διηλεκτρική 1 και καμία απώλεια διηλεκτρική.
Αέρια: Αυτά αποτελούνται από άτομα ή μόρια που είναι ελαφρά δεμένα και μπορούν να κινούνται ελεύθερα. Έχουν χαμηλές σταθερές διηλεκτρικές (κοντά στο 1) και χαμηλές απώλειες διηλεκτρικές. Παραδείγματα περιλαμβάνουν τον αέρα, το αζώτο, το έλιο και το έξιος φθόριος σουλφύρη.
Υγρά: Αυτά αποτελούνται από μόρια που είναι πιο στενά δεμένα από τα αέρια, αλλά μπορούν ακόμα να κινούνται. Έχουν υψηλότερες σταθερές διηλεκτρικές από τα αέρια (από 2 έως 80) και υψηλότερες απώλειες διηλεκτρικές. Παραδείγματα περιλαμβάνουν το νερό,
