Dielektraj Materialoj: Difino Proprietoj kaj Aplikoj
Dielektra materialo difinas kiel elektran izolilon, kiun oni povas polarigi per aplika elektra kampo. Tio signifas, ke kiam dielektra materialo estas metita en elektran kampon, ĝi ne permesas al elektraj ŝarĝoj fluigi tra ĝi, sed anstataŭe ĝi ordigas sian internan elektran dipolon (paron de kontraŭstaraj ŝarĝoj) en la direkto de la kampo. Tiu ordo reduktas la tutan elektran kampon en la dielektra materialo kaj pligrandigas la kapacitancon de kondensatoro, kiu ĝin uzas.
Kiel funkcias dielektraj materialoj?
Por kompreni, kiel funkcias dielektraj materialoj, ni devas scii kelkajn bazajn konceptojn de elektromagnetismo.
Elektra kampo estas regiono de spaco, kie elektra ŝarĝo spertas forton. La direkto de la elektra kampo estas la direkto de la forto sur pozitiva ŝarĝo, kaj la grandeco de la elektra kampo estas proporcia al la forto. Elektraj kampoj estas kreitaj de elektraj ŝarĝoj aŭ ŝanĝantaj magnetaj kampoj.
Elektra polarigo
Elektra polarigo estas la disigo de pozitivaj kaj negativaj ŝarĝoj en materialo pro ekstera elektra kampo. Kiam materialo estas polarigita, ĝi evoluas elektran dipolan momenton, kiu estas mezuro de tio, kiom la ŝarĝoj estas disigitaj kaj kiel ili estas ordigitaj. La elektra dipola momento de materialo estas proporcia al ĝia elektra susceptibileco, kiu estas mezuro de tio, kiom facile ĝi povas esti polarigita.
Kapacitanco
Kapacitanco estas la kapablo de sistemo stoki elektran ŝarĝon. Kondensatoro estas aparato, konsistanta el du konduktoroj (platoj), disigitaj per izolilo (dielektra). Kiam voltaĵo estas aplikita trans la platoj, elektra kampo estas kreita inter ili, kaj ŝarĝoj akumuliĝas sur ĉiu plato. La kapacitanco de kondensatoro estas proporcia al la areo de la platoj, inverse proporcia al la distanco inter ili, kaj direktproporcia al la dielektra konstanto de la izolilo.
Ecoj de dielektraj materialoj
Iuj gravaj ecoj de dielektraj materialoj estas:
Dielektra konstanto: Tio estas dimensio-libera kvanto, kiu indikas, kiom materialo pligrandigas la kapacitancon de kondensatoro kompare al vakuo. Ĝi ankaŭ nomiĝas relativa permittiveco aŭ permittiveca raporto. La dielektra konstanto de vakuo estas 1, kaj la dielektra konstanto de aero estas proksimume 1.0006. Materialoj kun alta dielektra konstanto inkluzivas akvon (proksimume 80), barium titanaton (proksimume 1200), kaj strontium titanaton (proksimume 2000).
Dielektra forto: Tio estas la maksimuma elektra kampo, kiun materialo povas toleri sen rompiĝi aŭ iĝi kondukema. Ĝi mezuras en voltajn metrojn (V/m) aŭ kilovoltajn milimetrojn (kV/mm). La dielektra forto de aero estas proksimume 3 MV/m, kaj la dielektra forto de glaso estas proksimume 10 MV/m.
Dielektra perdado: Tio estas la kvanto de energio, kiu disiĝas kiel varmo, kiam alternanta elektra kampo estas aplikita al materialo. Ĝi mezuras per la tangeto de perdo aŭ disipada faktoro, kiu estas la rilatumo de la imaginara parto al la reela parto de la kompleksa permittiveco. La dielektra perdado dependas de la frekvenco kaj temperaturo de la elektra kampo, kaj ankaŭ de la strukturo kaj pureco de la materialo. Materialoj kun malalta dielektra perdado estas dezirindaj por aplikoj, kiuj postulas alta efikeco kaj malalta varmado.
Tipoj kaj ekzemploj de dielektraj materialoj
Dielektraj materialoj povas esti klasifikitaj en malsamajn tipojn laŭ ilia molekula strukturo kaj polariga mekanismo. Iuj komunaj tipoj kaj ekzemploj estas:
Vakuo: Tio estas la absenco de materio kaj do havas nenian polarigon. Ĝi havas dielektran konstanton de 1 kaj neniun dielektran perdon.
Gazoj: Tiuj estas komponitaj el atomoj aŭ molekuloj, kiuj estas luse ligitaj kaj povas libere movi. Ili havas malaltajn dielektrajn konstantojn (proksimume 1) kaj malaltajn dielektrajn perdojn. Ekzemploj inkluzivas aeron, azoton, heliumon, kaj sulfur hexafluoridon.
Liquidoj: Tiuj estas komponitaj el molekuloj, kiuj estas pli forte ligitaj ol gazoj, sed ankoraŭ povas movi sin. Ili havas pli altajn dielektrajn konstantojn ol gazoj (intervalo de 2 ĝis 80) kaj pli altajn dielektrajn perdojn. Ekzemploj inkluzivas akvon, transformila oleon, etanon, kaj glicerolon.
Solidoj: Tiuj estas komponitaj el atomoj aŭ molekuloj, kiuj estas fortele ligitaj en fiksaj pozicioj. Ili havas pli altajn dielektrajn konstantojn ol liquidoj (intervalo de 3 ĝis 2000) kaj pli altajn dielektrajn perdojn. Ekzemploj inkluzivas glason, ceramikon, plastikon, ruberon, paperon, mikon, kaj kvarton.
Aplikoj de dielektraj materialoj
Dielektraj materialoj havas multajn aplikojn en diversaj kampoj de scienco kaj inĝenierado. Iuj ekzemploj estas:
Kondensatoroj: Tiuj estas aparatoj, kiuj stokas elektran ŝarĝon kaj energion per uzo de dielektraj materialoj inter du konduktoroj. Kondensatoroj estas uzataj por filtri, glati, tempigi, kunligi, decoupli, harmonigi, sensadi, kaj potenc-konverti en elektronikaj cirkvitoj.
Izoliloj: Tiuj estas materialoj, kiuj prezentas elektran ŝarĝon de fluigi tra ili per uzo de ilia alta elektra fluo per uzo de ilia alta rezistanco kaj alta dielektra forto. Izoliloj estas uzataj por protekti, isoli, subteni, kaj apartigi elektrajn komponantojn kaj dratojn.
Transdutoroj: Tiuj estas aparatoj, kiuj konvertas unu formon de energio en alian per uzo de dielektraj materialoj, kiuj montras piezoelektran aŭ elektrostrictecon. Piezoelektraneco estas la propraĵo de iuj materialoj generi elektran voltagon, kiam ili estas subjektitaj al mekanika streĉo, aŭ vice versa. Elektrostricteco estas la propraĵo de iuj materialoj ŝanĝi sian formon aŭ grandon, kiam ili estas subjektitaj al elektra kampo, aŭ vice versa. Transdutoroj estas uzataj por generi, detekti, mezuri, kaj kontroli sono-ondojn, ultrasonon, vibradojn, preson, forton, dislokadon, temperaturon, etc.
Fotonaj aparatoj: Tiuj estas aparatoj, kiuj manipulas lumon per uzo de dielektraj materialoj, kiuj montras optikajn propraĵojn, kiel refrakcio, reflektado,
