Dielektrični materijali: Definicija svojstva i primjene
Dielektrični materijal definiramo kao električni izolator koji se može polarizirati pod utjecajem električnog polja. To znači da kada je dielektrični materijal postavljen u električno polje, ne dopušta protok električnih nabojaka kroz sebe, već umjesto toga poravnava svoje unutarnje električne dipole (parove suprotnih nabojaka) u smjeru polja. Ova poravnana smanjuje ukupno električno polje unutar dielektričnog materijala i povećava kapacitet kondenzatora koji ga koristi.
Kako funkcioniraju dielektrični materijali?
Da bismo razumjeli kako funkcioniraju dielektrični materijali, moramo poznavati neke osnovne koncepte elektromagnetizma.
Električno polje je regija prostora gdje električni naboj iskušava silu. Smjer električnog polja je smjer sile na pozitivni naboj, a intenzitet električnog polja je proporcionalan jačini sile. Električna polja stvaraju se električnim nabojevima ili mijenjanjem magnetskih polja.
Električna polarizacija
Električna polarizacija je odvojavanje pozitivnih i negativnih nabojaka unutar materijala zbog vanjskog električnog polja. Kada je materijal polariziran, razvija električni dipolni moment, što je mjerilo koliko su nabojci odvojeni i kako su poravnani. Električni dipolni moment materijala je proporcionalan njegovoj električnoj podložnosti, što je mjerilo koliko se lako može polarizirati.
Kapacitet
Kapacitet je sposobnost sustava za pohranjivanje električnog naboja. Kondenzator je uređaj koji se sastoji od dvije provodnice (ploče) odvojene izolatorom (dielektrik). Kada se napon primijeni na ploče, stvara se električno polje između njih, a naboji se akumuliraju na svakoj ploči. Kapacitet kondenzatora je proporcionalan površini ploča, obrnuto proporcionalan udaljenosti između njih, te direktno proporcionalan dielektričnoj konstanti izolatora.
Svojstva dielektričnih materijala
Neki važna svojstva dielektričnih materijala su:
Dielektrična konstanta: To je bezdimenzioni broj koji pokazuje koliko materijal povećava kapacitet kondenzatora u usporedbi s vakuumom. Također se naziva relativna permitivnost ili omjer permitivnosti. Dielektrična konstanta vakuuma je 1, a dielektrična konstanta zraka oko 1,0006. Materijali s visokim dielektričnim konstantama uključuju vodu (oko 80), barijev titanat (oko 1200) i stroncijev titanat (oko 2000).
Dielektrička čvrstoća: To je maksimalno električno polje koje materijal može održati bez rušenja ili postajanja provodljivim. Mjeri se u voltima po metru (V/m) ili kilovoltima po milimetru (kV/mm). Dielektrička čvrstoća zraka je oko 3 MV/m, a dielektrička čvrstoća stakla oko 10 MV/m.
Dielektrička gubitnica: To je količina energije koja se disipira kao toplina kada se na materijal primijeni alternativno električno polje. Mjeri se tangensom gubitaka ili faktorom disipacije, koji je omjer imaginarnog dijela prema realnom dijelu kompleksne permitivnosti. Dielektrička gubitnica ovisi o frekvenciji i temperaturi električnog polja, kao i o strukturi i čistoći materijala. Materijali s niskom dielektričkom gubitnicom su željeni za primjene koje zahtijevaju visoku učinkovitost i niske zagrijavanje.
Vrste i primjeri dielektričnih materijala
Dielektrični materijali mogu se klasificirati na različite vrste temeljeno na njihovoj molekularnoj strukturi i mehanizmu polarizacije. Neki uobičajeni tipovi i primjeri su:
Vakuum: To je odsustvo tvari i stoga nema polarizaciju. Ima dielektričnu konstantu 1 i nema dielektričnu gubitnicu.
Plinovi: Sastoje se od atoma ili molekula koje su slabo vezane i mogu se slobodno gibati. Imaju niske dielektrične konstante (blizu 1) i niske dielektrične gubitnice. Primjeri uključuju zrak, dušik, helij i šestični fluorid sirovca.
Tečnosti: Sastoje se od molekula koje su više vezane od plinova, ali još uvijek mogu se gibati. Imaju veće dielektrične konstante od plinova (od 2 do 80) i veće dielektrične gubitnice. Primjeri uključuju vodu, transformatorsko ulje, etanol i gliserol.
Čvrste tvari: Sastoje se od atoma ili molekula koje su jako vezane na fiksne položaje. Imaju veće dielektrične konstante od tečnosti (od 3 do 2000) i veće dielektrične gubitnice. Primjeri uključuju staklo, keramiku, plastike, gumenice, papir, miku i kvarc.
Primjene dielektričnih materijala
Dielektrični materijali imaju mnoge primjene u različitim područjima znanosti i inženjerstva. Neki primjeri su:
Kondenzatori: To su uređaji koji pohranjuju električni naboj i energiju koristeći dielektrične materijale između dvije provodnice. Kondenzatori se koriste za filtriranje, izglađivanje, vremensko upravljanje, spoj, dekupliranje, tuniranje, senziranje i pretvorbu snage u elektroničkim krugovima.
Izolatori: To su materijali koji sprječavaju protok električnog naboja kroz sebe koristeći svoju visoku otpornost i visoku dielektričnu čvrstoću. Izolatori se koriste za zaštitu, izolaciju, podršku i odvajanje električnih komponenti i žica.
Transducenti: To su uređaji koji pretvaraju jednu formu energije u drugu koristeći dielektrične materijale koji pokazuju piezoelektričnost ili elektrostrikciju. Piezoelektričnost je svojstvo nekih materijala da generiraju električni napon kada su izloženi mehaničkom opterećenju ili obrnuto. Elektrostrikcija je svojstvo nekih materijala da mijenjaju svoju oblik ili veličinu kada su izloženi električnom polju ili obrnuto. Transducenti se koriste za generiranje, detektiranje, mjerenje i kontrolu zvučnih valova, ultrazvučnih valova, vibracija, tlaka, sile, pomaka, temperature itd.
Fotonski uređaji: To su uređaji koji manipuliraju svjetlosnim valovima koristeći dielektrične materijale koji pokazuju optička svojstva poput refrakcije, refleksije, apsorpcije, raspršenja, dispersije, bikvalentnosti itd. Fotonski uređaji se koriste za prijenos, prijem, modulaciju, prekidač, filtriranje, pojačanje, podjelu, kombinaciju, pohranu, obradu, prikaz, slikanje, senziranje itd., svjetlosnih signala.
