Dielektrísk efni: Skilgreining, eiginleikar og notkun

Díelektrískt efni er skilgreint sem rafmagnsinsulátt sem hægt er að polarisera með viðkomandi rafmagnsfelti. Þetta þýðir að þegar díelektrískt efni er sett í rafmagnsfelt, leyfir það ekki rafmagnsgeirum að strauma gegnum sig, heldur komin á sama tíma upp sín innbyggða rafmagnsdipóla (par samhverfa geira) í stefnu fellisins. Þessi víxling lækkar heildarfeltnið innan díelektrískra efna og hækka capacitance kondensator sem notast við það.

Hvernig virka díelektrísk efni?

Til að skilja hvernig díelektrísk efni virka, þurfum við að vita nokkrar grunnkenningar um rafmagnsfræði.

Rafmagnsfelt er svæði í rúmi þar sem rafmagnsgeir upplifir afleiðingu. Stefna rafmagnsfeltsins er stefna afleiðingar á jákvæðum geir, og magn rafmagnsfeltsins er hlutfallslegt við styrk afleiðingarinnar. Rafmagnsfellt eru búin til af rafmagnsgeiram eða brotinu magnföldun.

Rafmagnspolarisering

Rafmagnspolarisering er skilgreind sem aðskilningur jákvæðra og neikvæðra geira innan efnis vegna ytri rafmagnsfelts. Þegar efni er polariserað, býr það til rafmagnsdipólarmoment, sem er mælikvarði fyrir hversu mikið geirnir eru aðskilnir og hvernig þeir eru staðfestir. Rafmagnsdipólarmoment efnsins er hlutfallslegt við rafmagns viðtengdheit, sem er mælikvarði fyrir hversu auðvelt er að polarisera það.

Capacitance

Capacitance er förmöguleiki kerfis til að geyma rafmagnsgeir. Kondensator er tæki sem bestur af tveim leiðandi (plötum) aðskilin með insulátt (díelektrískt efni). Þegar rafmagnsspenning er lagð yfir plöturnar, býr það til rafmagnsfelt milli þeirra, og geir safnast á hverri plötunni. Capacitance kondensatorsins er hlutfallslegt við flatarmál plötanna, andhverfanlegt hlutfall milli þeirra, og beint hlutfall við díelektrísku fastann insuláttsins.

Eiginleikar díelektríska efna

Sumir mikilvægir eiginleikar díelektríska efna eru:

• Díelektrísk fasti: Þetta er ómælanlegt magn sem sýnir hversu mikið efni aukar capacitance kondensatorsins samanburði við töknar. Hann er einnig kallaður relative permittivity eða permittivity ratio. Díelektrísk fasti töknar er 1, og díelektrísk fasti loft er um 1.0006. Efnin með háa díelektrísku fasti eru vatn (um 80), barium titanate (um 1200) og strontium titanate (um 2000).

  

• Díelektrísk styrkur: Þetta er hámarksrafmagnsfelt sem efni getur standið við án þess að brotna eða verða leiðandi. Hann er mældur í volts per metrum (V/m) eða kilovolts per millimetrum (kV/mm). Díelektrísk styrkur loft er um 3 MV/m, og díelektrísk styrkur glas er um 10 MV/m.

• Díelektrísk tap: Þetta er magn orku sem drengist sem hiti þegar breytingar rafmagnsfelt er lagt á efni. Hann er mældur með loss tangent eða dissipation factor, sem er hlutfalli imaginær hluta og raunhlutar complex permittivity. Díelektrísk tap fer eftir frekvens og hitastigi rafmagnsfeltsins, auk þess sem bygging og rensemd efnsins. Efnin með lága díelektrískum tap eru öskiljarnar fyrir útfærslur sem krefjast hárrétti og lágsinsunar.

Tegundir og dæmi um díelektríska efni

Díelektríska efni má flokka í mismunandi tegundir eftir molekylstruktúru og polariseringsmeðferð. Sumar algengar tegundir og dæmi eru:

• Töknar: Þetta er vigr af efni og hefur enga polarisering. Hann hefur díelektrískan fastann 1 og engan díelektrískan tap.

• Gásar: Þessi eru samsettar af átómum eða molekülum sem eru laust bundin og geta farið frjálslega. Þeir hafa lága díelektrískan fastann (nálægt 1) og lága díelektrískan tap. Dæmi eru loft, nitrogen, helium og sulfur hexafluoride.

• Vökva: Þessi eru samsettar af molekülum sem eru meiri bundin en gásar en geta ennþá farið um sig. Þeir hafa hærri díelektrískan fastann en gásar (ranging from 2 to 80) og hærri díelektrískan tap. Dæmi eru vatn, transformer olía, ethanol og glycerol.

  

• Faste: Þessi eru samsettar af átómum eða molekülum sem eru sterkt bundin í fastum stöðum. Þeir hafa hærri díelektrískan fastann en vökva (ranging from 3 to 2000) og hærri díelektrískan tap. Dæmi eru glas, keramik, plast, gummi, blað, mica og kvarts.

Notkun díelektríska efna

Díelektríska efni hafa mörgan notkun í mismunandi vísindum og teknologi. Sumar dæmi eru:

• Kondensatorar: Þetta eru tæki sem geyma rafmagnsgeir og orku með því að nota díelektríska efni milli tveggja leiðenda. Kondensatorar eru notaðir fyrir filtering, smoothing, timing, coupling, decoupling, tuning, sensing, og power conversion í rafmagnsnetum.

• Insulators: Þessi eru efni sem forðast rafmagnsstraum frá að strauma gegnum sig með því að nota sín hágæða viðstand og hágæða díelektrískan styrk. Insulators eru notaðir fyrir að vernda, aðskilja, støðva, og aðskilja rafmagnsefnin og snörd.

• Transducers: Þessi eru tæki sem breyta einu formi orku í annað með því að nota díelektríska efni sem sýna piezoelectricity eða electrostriction. Piezoelectricity er eiginleiki sumra efna til að framleiða rafmagnsvolt þegar setur undir mekaniskum spennu eða öfugt. Electrostriction er eiginleiki sumra efna til að breyta sínar form eða stærð þegar setur undir rafmagnsfelt eða öfugt. Transducers eru notaðir fyrir að framleiða, greina, mæla, og stjórna hljóðbölum, ultrasound bólum, vibrösjun, spenna, kraft, færslu, hita, o.s.frv.

  

• Photonic tæki: