Dielektrilised materjalid: määratlus omadused ja rakendused
Dielektriline materjal defineeritakse kui elektriline isolator, mida saab polariseerida rakendatud elektriväljaga. See tähendab, et kui dielektriline materjal asetatakse elektriväljas, ei lase see elektrilisi laenguid läbi end voolata, vaid seostab oma sisemised elektrilised dipoodid (vastandlaengupaarid) välja suunas. See seostamine vähendab üldist elektrivälja dielektrilises materjalis ja suurendab kapasitantsi kondensaatoris, mis seda kasutab.
Kuidas töötavad dielektrilised materjalid?
Dielektriliste materjalide toimimise mõistmiseks on vaja teada mõned elektromagnetismi põhikäsitlused.
Elektriväli on ruumiala, kus elektriline laeng kogeb jõudu. Elektrivälja suund on jõu suund positiivsel laengul, ja elektrivälja suurus on proportsionaalne jõu tugevusega. Elektrivälju tekitavad elektrilised laengud või muutuvad magnetväli.
Elektriline polariseerimine
Elektriline polariseerimine on positiivsete ja negatiivsete laengude eraldamine materjalis välisest elektriväljast tingitud. Kui materjal polariseeritakse, areneda sellel elektriline dipoolmoment, mis on mõõt sellele, kui palju laengud on eraldatud ja kuidas need on seostatud. Materjali elektriline dipoolmoment on proportsionaalne selle elektrilise suszeptiivsusega, mis on mõõt sellele, kui lihtsalt seda saab polariseerida.
Kapasitants
Kapasitants on süsteemi võime elektrilist laengut hoida. Kondensaator on seade, mis koosneb kahest joonest (plaadist), mis on eraldatud insuleerijaga (dielektril). Kui pinge rakendatakse plaadidele, luuakse nende vahel elektriväli, ja laengud kogunevad igal plaadil. Kondensaatori kapasitants on proportsionaalne plaadide alale, vastupidavalt nende vahemäärale ja otseproportsionaalne insuleerija dielektrilisele konstandile.
Dielektriliste materjalide omadused
Mõned olulised dielektriliste materjalide omadused on:
Dielektriline konstant: See on mõõtühikuta suurus, mis näitab, kui palju materjal suurendab kondensaatori kapasitantsi võrreldes vakuumiga. Seda nimetatakse ka suhteline permittivsus või permittivsuse suhe. Vakuumi dielektriline konstant on 1, ja õhuku dielektriline konstant on umbes 1,0006. Materjalid, millel on kõrge dielektriline konstant, hõlmavad vett (umbes 80), baariumtitanaati (umbes 1200) ja strontiumtitanaati (umbes 2000).
Dielektriline tugevus: See on maksimaalne elektriväli, mida materjal saab taluda ilma murdumata või muutumata jooneks. See mõõdetakse voltides meetri kohta (V/m) või kilovoltides millimeetri kohta (kV/mm). Õhuku dielektriline tugevus on umbes 3 MV/m, ja klaasi dielektriline tugevus on umbes 10 MV/m.
Dielektriline kahju: See on energia kogus, mis dissipeeritakse soojenina, kui materjali rakendatakse alterneeriva elektriväljaga. See mõõdetakse kahjutangensi või dissipatsioonifaktoriga, mis on kompleksse permittivsuse imaginaarosa reaalosa suhe. Dielektriline kahju sõltub elektrivälja sagedusest ja temperatuurist, samuti materjali struktuurist ja puhtusest. Materjalid, millel on madal dielektriline kahju, on soovitavad rakendustele, mis nõuavad kõrget efektiivsust ja madalat soojenemist.
Dielektriliste materjalide tüübid ja näited
Dielektrilisi materjale saab klassifitseerida erinevateks tüüpideks nende molekulikoha struktuuri ja polariseerimismeetodi alusel. Mõned levinud tüübid ja näited on:
Vakuum: See on aine puudumine ja seega pole sel seal polariseerimist. Tänu sellel on dielektriline konstant 1 ja null dielektriline kahju.
Gasad: Need koosnevad aatomidest või molekulidest, mis on ebakindlad ja võivad vabadalt liikuda. Nendel on madalad dielektrilised konstandid (lähedased 1) ja madalad dielektrilised kahjud. Näited hõlmavad õhku, lämmast, heeliumpu ja sfäärihexafluoriidi.
Vesinikud: Need koosnevad molekulidest, mis on tugevamini sidunud kui gasid, kuid võivad siiski ümber liikuda. Nendel on kõrgemad dielektrilised konstandid kui gasidel (ulatudes 2 kuni 80) ja kõrgemad dielektrilised kahjud. Näited hõlmavad vett, transformaatori ölit, etanolit ja gliserooli.
Kiud: Need koosnevad aatomidest või molekulidest, mis on tugevalt sidunud fikseeritud asukohtades. Nendel on kõrgemad dielektrilised konstandid kui vesinikute (ulatudes 3 kuni 2000) ja kõrgemad dielektrilised kahjud. Näited hõlmavad klaasi, keramiikat, plastikuid, kummikut, pabert, miikat ja kvartsit.
Dielektriliste materjalide rakendused
Dielektrilisi materjale kasutatakse mitmesugustes teadus- ja insenerivaldkondades. Mõned näited on:
Kondensaatorid: Need on seadmed, mis hooldavad elektrilist laengut ja energiat, kasutades dielektrilisi materjale kahete joone vahel. Kondensaatoreid kasutatakse filtrite, sujutuste, ajastuste, ühenduste, dekupleerimise, sintonimise, andmetöötluse ja võimsuse teisendamise jaoks elektronikakiitus.
Insuleerid: Need on materjalid, mis takistavad elektriliiku nende läbi voolamist, kasutades nende kõrget vastupidavust ja kõrget dielektrilist tugevust. Insuleere kasutatakse kaitsmiseks, isoleerimiseks, toetamiseks ja eraldamiseks elektrilistes komponentides ja juhtmetes.
Transduktorid: Need on seadmed, mis teisendavad ühte energivormi teiseks, kasutades dielektrilisi materjale, mis näitavad piezoel
