Dielektrikus anyagok: Definíció, tulajdonságok és alkalmazások

A dielektrikus anyagot olyan elektromos izolátorként definiáljuk, amelyet egy alkalmazott elektromos mező polarizálhat. Ez azt jelenti, hogy amikor egy dielektrikus anyagot elektromos mezőbe helyezünk, nem enged át elektromos töltéseket, hanem az elektromos dipólusait (ellenkező töltések párját) a mező irányába szigoralja. Ez a szigoralódás csökkenti a dielektrikus anyagban lévő teljes elektromos mezőt, és növeli a kapacitanciát, amely ezt az anyagot használó kondenzátor esetén.

Hogyan működnek a dielektrikus anyagok?

A dielektrikus anyagok működésének megértéséhez ismernünk kell az elektromagnetizmus alapfogalmainak néhány alapvető elemét.

Az elektromos mező olyan tér, ahol egy elektromos töltés erőt tapasztal. Az elektromos mező iránya a pozitív töltésre ható erő iránya, és az elektromos mező nagysága arányos az erő erősségével. Az elektromos mezőket elektromos töltések vagy változó mágneses mezők hoznak létre.

Elektromos polarizáció

Az elektromos polarizáció a pozitív és negatív töltések elválasztása egy anyagban külső elektromos mező miatt. Amikor egy anyag polarizálódik, elektromos dipólmomentumot fejleszt ki, ami a töltések elválasztásának és igazításának mértéke. Az elektromos dipólmomentum arányos az anyag elektromos érzékenységével, ami a polarizálódás könnyességét méri.

Kapacitancia

A kapacitancia a rendszer képessége elektromos töltést tárolni. A kondenzátor olyan eszköz, amely két vezető (lemez) közötti izolátor (dielektrikus) segítségével működik. Amikor feszültséget alkalmazunk a lemezek között, elektromos mező jön létre, és töltések felhalmozódnak a lemezeken. A kondenzátor kapacitanciája arányos a lemezek területével, fordítva arányos a lemezek közötti távolsággal, és arányos az izolátor dielektrikus konstansával.

A dielektrikus anyagok tulajdonságai

A dielektrikus anyagok néhány fontos tulajdonsága:

• Dielektrikus konstans: Ez dimenziótlan mennyiség, ami azt mutatja, hogy mennyivel növeli a kondenzátor kapacitanciáját egy adott anyag a vákuummhoz képest. Ezt még relatív permittivitásnak vagy permittivitási aránynak is nevezik. A vákuum dielektrikus konstansa 1, az levegő dielektrikus konstansa pedig körülbelül 1,0006. Magas dielektrikus konstansú anyagok közé tartozik a víz (körülbelül 80), a bárium titánát (körülbelül 1200) és a stroncium titánát (körülbelül 2000).

  

• Dielektrikus erőtlenség: Ez a maximális elektromos mező, amelyet egy anyag elfogad, anélkül hogy összeomlik vagy vezetővé válik. Mérőegysége volt per méter (V/m) vagy kilovolt per milliméter (kV/mm). A levegő dielektrikus erőtlensége körülbelül 3 MV/m, a üveg dielektrikus erőtlensége pedig körülbelül 10 MV/m.

• Dielektrikus veszteség: Ez az energia, amely hő formájában diszippál, amikor alternatív elektromos mezőt alkalmazunk egy anyagra. Mérőegysége a veszteség tangens vagy dissipációs tényező, ami a komplex permittivitás imaginárius részének és valós részének aránya. A dielektrikus veszteség függ az elektromos mező frekvenciájától és hőmérsékletétől, valamint az anyag szerkezetétől és tisztaságától. Alacsony dielektrikus veszteségű anyagok kívántak olyan alkalmazásokban, ahol magas hatékonyság és alacsony hőtartalom szükséges.

Dielektrikus anyagok típusai és példák

A dielektrikus anyagok molekuláris szerkezetük és polarizációs mechanizmusuk alapján oszthatók különböző típusokra. Néhány gyakori típus és példa:

• Vákuum: Ez a anyag hiánya, tehát nincs polarizáció. Dielektrikus konstansa 1, és nincs dielektrikus veszteség.

• Gázok: Ezek atomokból vagy molekulákból állnak, amelyek szabadon mozoghatnak. Alacsony dielektrikus konstansuk van (közel 1-hez) és alacsony dielektrikus veszteség. Például a levegő, az nitrogén, a hélium és a szulfur hexafluorid.

• Folyadékok: Ezek molekulákból állnak, amelyek szorábban kötődnek, mint a gázok, de továbbra is mozoghatnak. Magasabb dielektrikus konstansuk van, mint a gázoknál (2 és 80 között) és magasabb dielektrikus veszteség. Például a víz, a transzformátor olaj, az etanol és a glycerin.

  

• Szilárd testek: Ezek atomokból vagy molekulákból állnak, amelyek erősen kötődnek rögzített pozíciókban. Magasabb dielektrikus konstansuk van, mint a folyadékoknál (3 és 2000 között) és magasabb dielektrikus veszteség. Például a üveg, a kerámia, a műanyag, a gummi, a papír, a miká, és a kvarc.

A dielektrikus anyagok alkalmazásai

A dielektrikus anyagok sok alkalmazást találnak a tudomány és mérnöki szakterületek különböző területein. Néhány példa:

• Kondenzátorok: Ezek olyan eszközök, amelyek elektromos töltést és energiát tárolnak, dielektrikus anyagot használva két vezető között. A kondenzátorok szűrésre, simításra, időzítésre, kötésre, decoupling-re, hangolásra, érzékelésre és energiaátalakításra használódnak elektronikus áramkörökben.

• Izolátorok: Ezek olyan anyagok, amelyek megakadályozzák, hogy elektromos áram áthaladjon rajtuk, nagy ellenállásukkal és nagy dielektrikus erőtlenségükkel. Az izolátorok védelmi, elszeparáló, támogató és elválasztó célokat szolgálnak elektrikus komponensek és vezetékek között.

• Transzducerek: Ezek olyan eszközök, amelyek egy energiaformát másba alakítanak, dielektrikus anyagokat használva, amelyek piezoelektromos vagy elektrostriktív tulajdonságokat mutatnak. A piezoelektromosság olyan anyagok tulajdonsága, hogy elektromos feszültséget generál, amikor mechanikai stresszen van, vagy fordítva. Az elektrostriktivitás olyan anyagok tulajdonsága, hogy alakja vagy mérete változik, amikor elektromos mezőben van, vagy fordítva. A transzducerek használódnak hang hullámok, ultrahang hullámok, rezgések, nyomás, erő, eltolódás, hőmérséklet stb. generálására, detektálására, mérésére és ellenőrzésére.

  

• F