Dielektriskie materiāli: definīcija īpašības un lietojums
Dielektrisks materiāls tiek definēts kā elektriskais izolators, kas var tikt polarizēts ar piemērotu elektrisko lauku. Tas nozīmē, ka, kad dielektriskais materiāls tiek novietots elektriskā laukā, tas neļauj elektriskajiem ķermēniem plūst cauri tam, bet gan savieno to iekšējos elektriskos dipolu pārus (pretrunīgo lādiņu pārus) lauka virzienā. Šī savienojuma rezultātā samazinās kopējais elektriskais lauks dielektriskajā materiālā un palielinās kapacitance kondensatoram, kurš to izmanto.
Kā darbojas dielektriskie materiāli?
Lai saprastu, kā darbojas dielektriskie materiāli, mums jāzina dažas elektromagnetisms pamatidejas.
Elektriskais lauks ir telpas reģions, kurā elektriskā lāde izjūt spēku. Elektriskā lauka virziens ir spēka virziens uz pozitīvu lādiņu, un elektriskā lauka lielums ir proporcionāls spēka stiprumam. Elektriskos laukus izraisa elektriskie lādiņi vai mainīgie magnētiskie lauki.
Elektriskā polarizācija
Elektriskā polarizācija ir pozitīvo un negatīvo lādiņu atdalīšanās materiālā dēļ ārēja elektriskā lauka. Kad materiāls tiek polarizēts, tas attīst elektrisku dipolu momentu, kas ir mērs, cik daudz lādiņi ir atdalīti un kā tie ir savienoti. Materiāla elektriskais dipolu moments ir proporcionāls tā elektriskajai pievilcībai, kas ir mērs, cik viegli to var polarizēt.
Kapacitance
Kapacitance ir sistēmas spēja saglabāt elektrisku lādiņu. Kondensators ir ierīce, kas sastāv no diviem vedējiem (plāknes), kas atdalīti ar izolatoru (dielektriku). Kad spriegums tiek piemērots plāknēm, starp tām rodas elektriskais lauks, un lādiņi akumulējas katrā plāknē. Kondensatora kapacitance ir proporcionāla plākņu laukumam, inversproporcionāla to attālumam un tiešproporcionāla izolatora dielektriskajam koeficientam.
Dielektrisko materiālu īpašības
Dažas nozīmīgākas dielektrisko materiālu īpašības ir:
Dielektriskais koeficients: Tas ir bezdimensionāls lielums, kas norāda, cik daudz materiāls palielina kondensatora kapacitanci salīdzinājumā ar vakuumu. To sauc arī par relatīvo permitivitāti vai permitivitātes attiecību. Vakuuma dielektriskais koeficients ir 1, un gaisa dielektriskais koeficients ir aptuveni 1,0006. Materiāli ar augstu dielektrisko koeficientu ietver ūdeni (aptuveni 80), bārijuma titanātu (aptuveni 1200) un stroncijuma titanātu (aptuveni 2000).
Dielektriskā izturība: Tas ir maksimālais elektriskais lauks, ko materiāls var izturēt, neiznīcinoties vai kļūstot vedēju. Tā mērvienība ir volts uz metru (V/m) vai kilovolti uz milimetru (kV/mm). Gaisa dielektriskā izturība ir aptuveni 3 MV/m, un stikla dielektriskā izturība ir aptuveni 10 MV/m.
Dielektriskā zudumu: Tas ir enerģijas daudzums, kas disipēts kā siltums, kad materiālam tiek piemērots maiņas elektriskais lauks. To mēra ar zudumu tangenti vai disipācijas faktoru, kas ir kompleksā permitivitātes imaginārā daļa reālās daļas attiecība. Dielektriskā zudumu atkarīgs no elektriskā lauka frekvences un temperatūras, kā arī no materiāla struktūras un čistotnes. Materiāli ar zemu dielektrisko zudumu ir vēlama izmantošana lietpraksē, kas prasa augstu efektivitāti un zemu sildīšanos.
Dielektrisko materiālu veidi un piemēri
Dielektriskie materiāli var tikt klasificēti atsevišķos veidos, balstoties uz to molekulāro struktūru un polarizācijas mehānismu. Daži parastie veidi un piemēri ir:
Vakuum: Tas ir materijas absencija, tāpēc tā nav polarizācija. Tam ir dielektriskais koeficients 1 un nav dielektrisku zudumu.
Gāzes: Tās sastāv no atomiem vai molekulām, kas ir slabi saistītas un var brīvi kustēties. Tām ir zemi dielektriskie koeficienti (tuvu 1) un zemi dielektriskās zudumu. Piemēri ietver gaisu, šķidroga, hēliju un sulfūra heksafluorīdu.
Šķidrumi: Tie sastāv no molekulām, kas ir vairāk saistītas nekā gāzes, bet var joprojām kustēties. Tiem ir augstāki dielektriskie koeficienti nekā gāzēm (no 2 līdz 80) un augstāki dielektriskās zudumu. Piemēri ietver ūdeni, transformatora eļļu, etilalkoholu un gliserolu.
Cietie materiāli: Tie sastāv no atomiem vai molekulām, kas stipri saistītas fiksētās pozīcijās. Tiem ir augstāki dielektriskie koeficienti nekā šķidrumiem (no 3 līdz 2000) un augstāki dielektriskās zudumu. Piemēri ietver stiklu, keramiku, plastmasas, gumiju, papīru, mikas un kvartsu.
Dielektrisko materiālu lietojumi
Dielektriskie materiāli ir plaši izmantoti dažādos zinātnes un inženierzinātņu jomās. Daži piemēri ir:
Kondensatori: Tie ir ierīces, kas saglabā elektrisku lādiņu un enerģiju, izmantojot dielektriskus materiālus starp diviem vedējiem. Kondensatori tiek izmantoti filtrēšanai, vienmērīguma nodrošināšanai, laika noteikšanai, savienojumam, atsekošanai, strošanai, enerģijas pārveidošanai elektronikas shēmās.
Izolatori: Tie ir materiāli, kas nepiedāvā elektriskā strāva caur sevi, izmantojot to augsto pretestību un augsto dielektrisko izturību. Izolatori tiek izmantoti aizsardzībai, atdalīšanai, atbalstam un atsekošanai elektriskajiem komponentiem un vadiem.
Transducēri: Tie ir ierīces, kas pārveido vienu enerģijas formu citā, izmantojot dielektriskus materiālus, kas parāda piezoelektrikumu vai elektroskripciju. Piezoelektrikums ir dažu materiālu īpašība radīt elektrisko spriegumu, ja tie tiek pakļauti mehāniskai spēkei, un otrādi. Elektroskripcija ir dažu materiālu īpašība mainīt savu formu vai izmēru, ja tie tiek pakļauti elektriskam laukam, un otrādi. Transducēri tiek izmantoti dzirgas, ultradzirgas, vibrāciju, spiediena, spēka, nobīdes, temperatūras u.c. ģenerēšanai, detektēšanai, mērīšanai un kontrolei.
