Dielektriset materiaalit: Määritelmä ominaisuudet ja sovellukset
Dielektrinen materiaali määritellään sähköisen eristäjän, jota voidaan polarisoida sovellettavalla sähkökentällä. Tämä tarkoittaa, että kun dielektrinen materiaali asetetaan sähkökenttään, se ei salli sähkövarauksia kulkea läpi, vaan se suuntaa sen sisäiset sähköiset dipolit (vastakkaismerkkisten varauksien parit) kentän suuntaan. Tämä suuntautuminen vähentää yleistä sähkökenttää dielektrisessä materiaalissa ja lisää kapasitanssia käyttävän kondensaattorin kapasitanssia.
Miten dielektriset materiaalit toimivat?
Ymmärtääksimme, miten dielektriset materiaalit toimivat, meidän on tiedettävä joitakin perusasioita elektromagneettisuudesta.
Sähkökenttä on alue, jossa sähköinen varaus kokemaan voiman. Sähkökentän suunta on voiman suunta positiiviselle varaukselle, ja sähkökentän suuruus on verrannollinen voiman vahvuuteen. Sähkökenttiä luovat sähköiset varaukset tai muuttuvat magneettikentät.
Sähköinen polarisaatio
Sähköinen polarisaatio on positiivisten ja negatiivisten varauksien erotuminen materiaalissa ulkoisen sähkökentän vuoksi. Kun materiaali polarisoituu, se kehittää sähköisen dipoli-momentin, joka on mittari siitä, kuinka paljon varaukset on erotettu ja kuinka ne on suunnattu. Materiaalin sähköinen dipoli-momentti on verrannollinen sen sähköiseen susseptibilitteihin, jotka ovat mittareita siitä, kuinka helposti sitä voidaan polarisoida.
Kapasitanssi
Kapasitanssi on järjestelmän kyky tallentaa sähkövarauksia. Kondensaattori on laite, joka koostuu kahdesta johtimesta (levyistä), jotka on eroteltu eristäjällä (dielektrisellä). Kun jännite sovelletaan levylle, sähkökenttä luodaan niiden välille, ja varaukset kertyvät jokaiseen levyyn. Kondensaattorin kapasitanssi on verrannollinen levysten pinta-alaan, käänteisesti verrannollinen niiden välimatkaan ja suoraan verrannollinen eristäjän dielektriseen vakioon.
Dielektristen materiaalien ominaisuudet
Joitakin tärkeitä dielektristen materiaalien ominaisuuksia ovat:
Dielektrinen vakio: Tämä on ulottuvuudeton määrä, joka ilmaisee, kuinka paljon materiaali lisää kondensaattorin kapasitanssia tyhjiöön verrattuna. Sitä kutsutaan myös suhteelliseksi permittiivisydeksi tai permittiivisyssuhdeksi. Tyhjiön dielektrinen vakio on 1, ja ilman dielektrinen vakio on noin 1,0006. Materiaaleilla, joilla on korkeat dielektriset vakiot, ovat vesipitoisuus (noin 80), baryumtitaniaatti (noin 1200) ja strontiumtitaniaatti (noin 2000).
Dielektrinen vahvuus: Tämä on maksimisähkökenttä, jonka materiaali voi kestää ilman romahdusta tai muuttumista johtavaksi. Se mitataan volttina per metri (V/m) tai kilovoltina per millimetri (kV/mm). Ilman dielektrinen vahvuus on noin 3 MV/m, ja lasin dielektrinen vahvuus on noin 10 MV/m.
Dielektrinen häviö: Tämä on energia, joka hajoaa lämpönä, kun vaihtosähkökenttä sovelletaan materiaaliin. Sitä mitataan häviökertoimella tai hajotuskerroin, joka on imaginaariosan suhde reaaliosaan kompleksisessa permittiivisydessä. Dielektrinen häviö riippuu sähkökentän taajuudesta ja lämpötilasta sekä materiaalin rakenteesta ja puhtaudesta. Materiaaleilla, joilla on alhainen dielektrinen häviö, on hyödyllisiä sovelluksia, jotka edellyttävät korkeaa tehokkuutta ja alhaisia lämpömuodostumisia.
Dielektristen materiaalien tyypit ja esimerkit
Dielektriset materiaalit voidaan luokitella eri tyyppeihin niiden molekyylin rakenteen ja polarisaatiomekanismin perusteella. Joitakin yleisiä tyyppejä ja esimerkkejä ovat:
Tyhjiö: Tämä on aineen puuttuminen ja siksi sillä ei ole polarisaatiota. Sen dielektrinen vakio on 1, eikä sillä ole dielektristä häviötä.
Kaasut: Nämä koostuvat atomeista tai molekyyleistä, jotka ovat löyhästi sidottuja ja voivat liikkua vapaasti. Niillä on alhaiset dielektriset vakiot (lähellä 1) ja alhaiset dielektriset häviöt. Esimerkkejä ovat ilma, typi, heiliumi ja rikkiheksafluoriidi.
Nesteet: Nämä koostuvat molekyyleistä, jotka ovat tiiviimmin sidottuja kuin kaasut, mutta voivat edelleen liikkua ympäri. Niillä on korkeammat dielektriset vakiot kuin kaasuilla (2–80 välillä) ja korkeammat dielektriset häviöt. Esimerkkejä ovat vesi, transformatorin öljy, etanol ja glyseroli.
Kiinteät: Nämä koostuvat atomeista tai molekyyleistä, jotka ovat vahvasti sidottuja kiinteisiin paikkoihin. Niillä on korkeammat dielektriset vakiot kuin nesteillä (3–2000 välillä) ja korkeammat dielektriset häviöt. Esimerkkejä ovat lasi, keramiikka, muovit, kumi, paperi, miika ja kvartsi.
Dielektristen materiaalien sovellukset
Dielektriset materiaalit ovat monilla eri tieteen ja tekniikan aloilla. Joitakin esimerkkejä ovat:
Kondensaattorit: Nämä ovat laitteita, jotka tallentavat sähkövarauksia ja energiaa käyttämällä dielektrisiä materiaaleja kahden johtimen välissä. Kondensaattoreita käytetään filtteröintiin, sujuvuuteen, aikarutiiniin, kytkentään, irrotukseen, säädelyyn, mittauksiin ja tehonmuuntamiseen elektronisissa piireissä.
Eristäjät: Nämä ovat materiaaleja, jotka estävät sähkövirtaa kuljemasta läpi käyttämällä korkeaa vastusta ja korkeaa dielektristä vahvuutta. Eristäjiä käytetään suojelemiseen, eristämiseen, tukemiseen ja erottamiseen sähköisiä komponentteja ja johtoja.
Muunninsensorit: Nämä ovat laitteita, jotka muuntavat yhden energian muodon toiseksi käyttämällä dielektrisiä materiaaleja, jotka osoittavat piezoelektrisuuden tai elektrostriktion. Piezoelektrisuus on joitakin materiaalien ominaisuus tuottaa sähkövoltagea, kun ne altistetaan mekaaniselle stressille tai päinvastoin. Elektrostriktio on joitakin materiaalien ominaisuus muuttaa niiden muotoa tai kokoa, kun ne altistetaan sähkökentälle tai päinvastoin. Muunninsensorit käytetään ääniaaltojen, ulträsonin, värähtelyjen, paineen, voiman, siirtymän, lämpötilan jne. tuottamiseen, havaitsemiseen, mittaamiseen ja ohjaamiseen.
