Mga Materyales na Diyelektriko: Paglalarawan, Katangian at mga Pagkakapitlo
Ang materyal na dielectric ay inilalarawan bilang isang electrical insulator na maaaring polarized ng isang aplikadong electric field. Ito ang nangangahulugan na kapag isinama ang materyal na dielectric sa isang electric field, hindi ito pinapayagan ang mga electric charges na lumipas dito, ngunit sa halip, ito ay naglalinya ng kanyang panloob na electric dipoles (pares ng magkasalungat na charges) sa direksyon ng field. Ang paglilinya na ito ay binabawasan ang kabuuang electric field sa loob ng materyal na dielectric at tumataas ang capacitance ng capacitor na gumagamit nito.
Paano gumagana ang mga materyal na dielectric?
Para maintindihan kung paano gumagana ang mga materyal na dielectric, kailangan nating malaman ang ilang pangunahing konsepto ng electromagnetism.
Ang isang electric field ay isang rehiyon ng espasyo kung saan nararanasan ng isang electric charge ang isang pwersa. Ang direksyon ng electric field ay ang direksyon ng pwersa sa isang positibong charge, at ang sukat ng electric field ay proporsyonal sa lakas ng pwersa. Nililikha ang mga electric fields ng mga electric charges o nagbabagong magnetic fields.
Electric polarization
Ang electric polarization ay ang paghihiwalay ng positibong at negatibong charges sa loob ng materyal dahil sa eksternal na electric field. Kapag polarized ang materyal, ito ay nagdudulot ng electric dipole moment, na isang sukat kung gaano karami ang charges na hiwalay at kung paano sila nakalinya. Ang electric dipole moment ng materyal ay proporsyonal sa kanyang electric susceptibility, na isang sukat kung gaano kahina ito maari mong polarized.
Capacitance
Ang capacitance ay ang kakayahan ng isang sistema na imbakan ang electric charge. Ang isang capacitor ay isang aparato na binubuo ng dalawang conductors (plates) na hinati ng isang insulator (dielectric). Kapag isinaply ang isang voltage sa pagitan ng plates, nililikha ang isang electric field sa pagitan nila, at nag-accumulate ang mga charges sa bawat plate. Ang capacitance ng isang capacitor ay proporsyonal sa area ng plates, inversely proportional sa layo sa pagitan nila, at directly proportional sa dielectric constant ng insulator.
Mga katangian ng mga materyal na dielectric
Ang ilang mahalagang katangian ng mga materyal na dielectric ay:
Dielectric constant: Ito ay isang walang dimensiyon na sukat na nagpapakita kung gaano karami ang materyal na nagpapataas ng capacitance ng isang capacitor kumpara sa vacuum. Tinatawag din itong relative permittivity o permittivity ratio. Ang dielectric constant ng vacuum ay 1, at ang dielectric constant ng hangin ay humigit-kumulang 1.0006. Ang mga materyal na may mataas na dielectric constants ay kinabibilangan ng tubig (humigit-kumulang 80), barium titanate (humigit-kumulang 1200), at strontium titanate (humigit-kumulang 2000).
Dielectric strength: Ito ang pinakamataas na electric field na maaaring tustusan ng isang materyal nang hindi bumagsak o naging conductive. Ito ay sukat sa volts per meter (V/m) o kilovolts per millimeter (kV/mm). Ang dielectric strength ng hangin ay humigit-kumulang 3 MV/m, at ang dielectric strength ng glass ay humigit-kumulang 10 MV/m.
Dielectric loss: Ito ang halaga ng enerhiyang nawawala bilang init kapag isinaply ang isang alternating electric field sa isang materyal. Ito ay sukat sa loss tangent o dissipation factor, na ang ratio ng imaginary part sa real part ng complex permittivity. Ang dielectric loss depende sa frequency at temperatura ng electric field, pati na rin ang istraktura at purity ng materyal. Ang mga materyal na may mababang dielectric loss ay desiderable para sa mga aplikasyon na nangangailangan ng mataas na efficiency at mababang init.
Mga uri at halimbawa ng mga materyal na dielectric
Maaaring ikategorya ang mga materyal na dielectric sa iba't ibang uri batay sa kanilang molecular structure at polarization mechanism. Ang ilang karaniwang uri at halimbawa ay:
Vacuum: Ito ang kasalukuyang wala sa matter at kaya wala ring polarization. Ito ay may dielectric constant na 1 at walang dielectric loss.
Gases: Ito ay binubuo ng atoms o molecules na maluwag ang pagkakabit at maaaring malayang makilos. Ito ay may mababang dielectric constants (malapit sa 1) at mababang dielectric losses. Ang mga halimbawa ay kinabibilangan ng hangin, nitrogen, helium, at sulfur hexafluoride.
Liquids: Ito ay binubuo ng molecules na mas matatag kaysa sa gases ngunit maaari pa ring makilos. Ito ay may mas mataas na dielectric constants kaysa sa gases (nagmumula sa 2 hanggang 80) at mas mataas na dielectric losses. Ang mga halimbawa ay kinabibilangan ng tubig, transformer oil, ethanol, at glycerol.
Solids: Ito ay binubuo ng atoms o molecules na malakas na nakakabit sa fix position. Ito ay may mas mataas na dielectric constants kaysa sa liquids (nagmumula sa 3 hanggang 2000) at mas mataas na dielectric losses. Ang mga halimbawa ay kinabibilangan ng glass, ceramics, plastics, rubber, paper, mica, at quartz.
Mga aplikasyon ng mga materyal na dielectric
Ang mga materyal na dielectric ay may maraming aplikasyon sa iba't ibang larangan ng siyensya at engineering. Ang ilang halimbawa ay:
Capacitors: Ito ay mga aparato na nagsisilbing imbakan ng electric charge at energy sa pamamagitan ng paggamit ng mga materyal na dielectric sa pagitan ng dalawang conductor. Ginagamit ang capacitors para sa filtering, smoothing, timing, coupling, decoupling, tuning, sensing, at power conversion sa electronic circuits.
Insulators: Ito ay mga materyal na nagpipigil ng electric current mula sa paglipas sa kanila sa pamamagitan ng kanilang mataas na resistance at mataas na dielectric strength. Ginagamit ang insulators para sa proteksyon, isolation, support, at separation ng mga electrical components at wires.
Transducers: Ito ay mga aparato na nagsasalin ng isang anyo ng enerhiya sa isa pa sa pamamagitan ng paggamit ng mga materyal na dielectric na nagpapakita ng piezoelectricity o electrostriction. Ang piezoelectricity ay ang katangian ng ilang materyal na lumilikha ng electric voltage kapag ipinaglaban ng mechanical stress o vice versa. Ang electrostriction ay ang katangian ng ilang materyal na nagbabago ang kanilang hugis o laki kapag ipinaglaban ng isang electric field o vice versa. Ginagamit ang transducers para sa paglikha, pagtukoy, pagsukat, at pagkontrol ng sound waves, ultrasound waves, vibrations, pressure, force, displacement, temperature, etc.
Photonic devices: Ito ay mga aparato na nagmanipulate ng light waves sa pamamagitan ng paggamit ng mga materyal na dielectric na nagpapakita ng optical properties tulad ng refraction, reflection, absorption, scattering, dispersion, birefringence, etc. Ginagamit ang photonic devices para sa pagtransmit, pagreceive, pagmodulate, pagswitch, pagfilter, pagamplify, pag-split, pagcombine, pagstore, pagprocess, pagdisplay, pagimage, pag-sense, etc., ng mga light signals.
