חומרים דיאלקטריים: הגדרה, תכונות ומשתמשים
חומר דיאלקטרי מוגדר כבודק חשמלי שיכול להפוך לפולרי על ידי שדה חשמלי מושךשדה חשמלי. זה אומר שלכאורה כאשר חומר דיאלקטרי נמצא בשדה חשמלי, הוא אינו מאפשר לזרמים חשמליים לזרום דרכו, אלא במקום זאת, הוא מכוון את הדיפולים החשמליים הפנימיים שלו (זוגות של טענות מנוגדות) בכיוון השדה. התאמה זו מפחיתה את השדה החשמלי הכולל בחומר הדיאלקטרי ומגדילה את ה-קיבולת של קבל המשתמש בו.
איך פועלים חומרים דיאלקטריים?
כדי להבין איך פועלים חומרים דיאלקטריים, עלינו לדעת כמה מושגים בסיסיים של אלקטרומגנטיות.
שדה חשמלי הוא אזור במרחב שבו טענת חשמל חווה כוח. הכיוון של השדה החשמלי הוא הכיוון של הכוח על טענת חיובית, וגודלו של השדה החשמלי הוא פרופורציונלי לחוזק הכוח. שדות חשמליים נוצרים על ידי טענות חשמליות או שינויי שדות מגנטיים.
פולריזציה חשמלית
פולריזציה חשמלית היא הפרדת טענות חיוביות ושליליות בתוך חומר עקב שדה חשמלי חיצוני. כאשר חומר מתפולר, הוא מפתח רגע דיפול חשמלי, שהוא מדד לכמה הטענות מופרדות וכיצד הן מכוונות. רגע הדיפול החשמלי של חומר הוא פרופורציונלי לסוסצפטיביליות החשמלית שלו, שהיא מדד לכמה ניתן לפולר אותו בקלות.
קיבולת
קיבולת היא היכולת של מערכת לאחסן טענת חשמל. קבל הוא מכשיר המורכב משני מנגננים (לוחות) המופרדים על ידי בודק (דיאלקטרי). כאשר מתח מופעל בין הלוחות, שדה חשמלי נוצר ביניהם, וטענות מצטברות על כל לוח. הקיבולת של קבל היא פרופורציונלית לשטח הלוחות, הפוכה למרחק ביניהם, ובאופן ישיר פרופורציונלית לקבוע הדיאלקטרי של הבידוד.
מאפיינים של חומרים דיאלקטריים
כמה מהמאפיינים החשובים של חומרים דיאלקטריים הם:
קבוע דיאלקטרי: זהו גודל ללא מימדים המציין עד כמה חומר מגדיל את הקיבולת של קבל בהשוואה לאפס. הוא נקרא גם פרמיטיביות יחסית או יחס פרמיטיביות. קבוע הדיאלקטרי של הריק הוא 1, וקבוע הדיאלקטרי של אוויר הוא בערך 1.0006. חומרים בעלי קבוע דיאלקטרי גבוה כוללים מים (בערך 80), בריום טיטאנט (בערך 1200) וסטרונטיום טיטאנט (בערך 2000).
חוזק דיאלקטרי: זהו השדה החשמלי המרבי שהחומר יכול לסבול מבלי להתפרק או להפוך למת מוליך. הוא נמדד בולט למטר (V/m) או קילוולט למילימטר (kV/mm). חוזק הדיאלקטרי של אוויר הוא בערך 3 MV/m, וחוזק הדיאלקטרי של זכוכית הוא בערך 10 MV/m.
אובדן דיאלקטרי: זהו הכמות של אנרגיה שנפלטת כחום כאשר שדה חשמלי מתחלף מופעל על חומר. הוא נמדד על ידי טנגנס האובדן או גורם הפיזור, שהוא היחס בין החלק המדומה לחלק האמיתי של הפרמיטיביות המרוכבת. האובדן הדיאלקטרי תלוי בתדירות והטמפרטורה של השדה החשמלי, כמו גם מבנה וטוהר החומר. חומרים בעלי אובדן דיאלקטרי נמוך הם רצויים עבור יישומים שדורשים יעילות גבוהה ותחמוצת נמוכה.
etypes and examples of dielectric materials
חומרים דיאלקטריים יכולים להיות מסווגים למגוון סוגים בהתאם למבנה המולקולרי שלהם ולמנגנון הפולריזציה שלהם. כמה סוגים נפוצים ודוגמאות הם:
ריק: זהו העדר חומר ולכן אין לו פולריזציה. יש לו קבוע דיאלקטרי של 1 ואין לו אובדן דיאלקטרי.
גזים: אלו מורכבים מאטומים או מולקולות המשובשות בקשרים רופפים ויכולים להזיז עצמם חופשית. להם קבוע דיאלקטרי נמוך (קרוב ל-1) ואובדן דיאלקטרי נמוך. דוגמאות כוללות אוויר, חנקן, הליום וסולפיד פלואורין שישי.
נוזלים: אלו מורכבים ממולקולות המשובשות קשרים חזקים יותר מגזים אך עדיין יכולים להזיז את עצמם. להם קבוע דיאלקטרי גבוה יותר מגזים (משתרע בין 2 ל-80) ואובדן דיאלקטרי גבוה יותר. דוגמאות כוללות מים, שמן טרנספורמר, אתנול וג'לסרין.
고ידים: אלו מורכבים מאטומים או מולקולות המשובשות קשרים חזקים במיקומים קבועים. להם קבוע דיאלקטרי גבוה יותר מנוזלים (משתרע בין 3 ל-2000) ואובדן דיאלקטרי גבוה יותר. דוגמאות כוללות זכוכית, קרמיקה, פלסטיק, גומי, נייר, מיקה וקוורץ.
יישומים של חומרים דיאלקטריים
חומרים דיאלקטריים יש להם יישומים רבים במדעי ונדע שונים. כמה דוגמאות הן:
קבלים: אלו מכשירים שמצביעים על טענת חשמל ואנרגיה באמצעות חומרים דיאלקטריים בין שני מנגננים. קבלים משמשים לסינון, חלקת, תזמון, קישור, פירוק, סינון, מדידה ומחזירה במעגלים אלקטרוניים.
בודקים: אלו חומרים שמנעים מ-זרם חשמלי לזרום דרכם על ידי שימוש בהתנגדות גבוהה ו חוזק דיאלקטרי גבוה. בודקים משמשים להגנה, בידוד, תמיכה והפרדה של רכיבים חשמליים ו проводов.
ממירנים: אלו מכשירים שממירים צורה אחת של אנרגיה לצורה אחרת באמצעות חומרים דיאלקטריים המפגינים פייזואלקטריות או אלקטרוסטריקציה. פייזואלקטריות היא התכונה של כמה חומרים לייצר מתח חשמלי כאשר הם מושפעים מלחץ מכני או להיפך. אלקטרוסטריקציה היא התכונה של כמה חומרים לשנות את הצורה או הגודל שלהם כאשר הם מושפעים ממשדה חשמלי או להיפך. ממירנים משמשים לייצור, גילוי, מדידה וניהול גלי קול, גלי על-קול, רעידות, לחץ, כוח, הזזה, טמפרטורה ועוד.
מכשירים פוטונים: אלו מכשירים המפעילים גלי אור באמצעות חומרים דיאלקטריים המציגים תכונות אופטיות כגון שבירה, ההשתקפות, בליעה, פיזור, פיזור, בי-רפרנגנס ועוד. מכשירים פוטונים משמשים להעברה, קבלה, מודולציה, מעבר, סינון, הרחבת, חלוקה, שילוב, אחסון, עיבוד, תצוגה, הדמיה, מדידה ושאר פעולות עם אותות אור.
מכשירי זיכרון: אלו מכשירים שמצביעים על מידע באמצעות חומרים דיאלקטריים המציגים פרואלקטריות או אלקטרטים. פרואלקטריות היא התכונה של כמה חומרים לשמור על מצב הפולריזציה שלהם גם לאחר הסרת שדה חשמלי חיצוני. אלקטרטים הם חומרים שיש להם טענת חשמל קבועה או רגע דיפול. מכשירי זיכרון משמשים לאחסון נתונים במחשבים, טלפונים ניידים, מצלמות ועוד.
מסקנה
חומרים דיאלקטריים הם בודקי חשמל שניתן לפולרם באמצעות שדה חשמלי מושך. להם מאפיינים שונים, כגון קבוע דיאלקטרי, חוזק דיאלקטרי ואובדן דיאלקטרי. ניתן לסווג אותם לסוגים שונים, כגון ריק, גזים, נוזלים וגושים. להם יש יישומים רבים במדעי שונים, כגון קבלים, בודקים, ממירנים, מכשירים פוטונים ומכשירי זיכרון. חומרים דיאלקטריים הם חיוני
