Bahan Dielektrik: Definisi, Sifat dan Aplikasi
Bahan dielektrik didefinisikan sebagai penghantar elektrik yang dapat dipolarisasi oleh medan elektrik yang diterapkan. Ini bermaksud bahawa apabila bahan dielektrik diletakkan dalam medan elektrik, ia tidak membenarkan muatan elektrik mengalir melaluinya, tetapi sebaliknya, ia menyelaraskan dipol elektrik dalaman (pasangan muatan berlawanan) ke arah medan. Penyelarasan ini mengurangkan medan elektrik keseluruhan di dalam bahan dielektrik dan meningkatkan kapasitans kapasitor yang menggunakan bahan tersebut.
Bagaimana bahan dielektrik bekerja?
Untuk memahami bagaimana bahan dielektrik bekerja, kita perlu mengetahui beberapa konsep asas elektromagnetisme.
Medan elektrik adalah kawasan ruang di mana muatan elektrik mengalami daya. Arah medan elektrik adalah arah daya pada muatan positif, dan magnitud medan elektrik berkadar dengan kekuatan daya. Medan elektrik dicipta oleh muatan elektrik atau perubahan medan magnet.
Polarisasi elektrik
Polarisasi elektrik adalah pemisahan muatan positif dan negatif dalam bahan disebabkan oleh medan elektrik luaran. Apabila bahan dipolarisasi, ia membangunkan momen dipol elektrik, yang merupakan ukuran sejauh mana muatan terpisah dan bagaimana mereka diselaraskan. Momen dipol elektrik bahan berkadar dengan kerentanan elektrik kerentanan magnet, yang merupakan ukuran seberapa mudah ia boleh dipolarisasi.
Kapasitans
Kapasitans adalah kemampuan sistem untuk menyimpan muatan elektrik. Kapasitor adalah peranti yang terdiri daripada dua konduktor (plat) yang dipisahkan oleh insulator (dielektrik). Apabila voltan dikenakan di antara plat, medan elektrik dicipta di antara mereka, dan muatan berkumpul pada setiap plat. Kapasitans kapasitor berkadar dengan luas plat, berbanding songsang dengan jarak antara mereka, dan berkadar langsung dengan pemalar dielektrik insulator.
Sifat-sifat bahan dielektrik
Beberapa sifat penting bahan dielektrik adalah:
Pemalar dielektrik: Ini adalah kuantiti tanpa dimensi yang menunjukkan sejauh mana bahan meningkatkan kapasitans kapasitor berbanding vakum. Ia juga dipanggil permeabiliti relatif atau nisbah permeabiliti. Pemalar dielektrik vakum adalah 1, dan pemalar dielektrik udara adalah kira-kira 1.0006. Bahan dengan pemalar dielektrik tinggi termasuk air (kira-kira 80), barium titanat (kira-kira 1200), dan strontium titanat (kira-kira 2000).
Kekuatan dielektrik: Ini adalah medan elektrik maksimum yang boleh ditanggung bahan tanpa pecah atau menjadi konduktif. Ia diukur dalam volt per meter (V/m) atau kilovolt per milimeter (kV/mm). Kekuatan dielektrik udara adalah kira-kira 3 MV/m, dan kekuatan dielektrik kaca adalah kira-kira 10 MV/m.
Kehilangan dielektrik: Ini adalah jumlah tenaga yang diserap sebagai haba apabila medan elektrik berubah ubah dikenakan pada bahan. Ia diukur oleh tangen hilang atau faktor disipasi, yang merupakan nisbah bahagian khayalan kepada bahagian nyata permittiviti kompleks. Kehilangan dielektrik bergantung pada frekuensi dan suhu medan elektrik, serta struktur dan kebersihan bahan. Bahan dengan kehilangan dielektrik rendah dikehendaki untuk aplikasi yang memerlukan efisiensi tinggi dan pemanasan rendah.
Jenis dan contoh bahan dielektrik
Bahan dielektrik boleh diklasifikasikan kepada jenis yang berbeza berdasarkan struktur molekul dan mekanisme polarisasi. Beberapa jenis dan contoh biasa adalah:
Vakum: Ini adalah ketiadaan zat dan oleh itu tidak mempunyai polarisasi. Ia mempunyai pemalar dielektrik 1 dan tiada kehilangan dielektrik.
Gas: Ini terdiri daripada atom atau molekul yang longgar dan boleh bergerak bebas. Mereka mempunyai pemalar dielektrik rendah (hampir 1) dan kehilangan dielektrik rendah. Contohnya termasuk udara, nitrogen, helium, dan sulfur heksafluorida.
Cecair: Ini terdiri daripada molekul yang lebih erat berbanding gas tetapi masih boleh bergerak. Mereka mempunyai pemalar dielektrik yang lebih tinggi daripada gas (berkisar dari 2 hingga 80) dan kehilangan dielektrik yang lebih tinggi. Contohnya termasuk air, minyak transformer, etanol, dan gliserol.
Pepejal: Ini terdiri daripada atom atau molekul yang erat di posisi tetap. Mereka mempunyai pemalar dielektrik yang lebih tinggi daripada cecair (berkisar dari 3 hingga 2000) dan kehilangan dielektrik yang lebih tinggi. Contohnya termasuk kaca, seramik, plastik, getah, kertas, mika, dan kuarsa.
Aplikasi bahan dielektrik
Bahan dielektrik mempunyai banyak aplikasi dalam pelbagai bidang sains dan kejuruteraan. Beberapa contoh adalah:
Kapasitor: Ini adalah peranti yang menyimpan muatan dan tenaga elektrik dengan menggunakan bahan dielektrik antara dua konduktor. Kapasitor digunakan untuk penapisan, penyelarasan, pengaturan masa, penghubungan, dekupling, penalaan, pengesanan, dan pengubahsuaian kuasa dalam litar elektronik.
Pengasing: Ini adalah bahan yang mencegah arus elektrik mengalir melaluinya dengan menggunakan rintangan tinggi dan kekuatan dielektrik tinggi. Pengasing digunakan untuk melindungi, mengasingkan, menyokong, dan memisahkan komponen dan wayar elektrik.
Transduser: Ini adalah peranti yang menukar satu bentuk tenaga kepada bentuk lain dengan menggunakan bahan dielektrik yang menunjukkan piezoelektrik atau elektrostriktif. Piezoelektrik adalah sifat sesetengah bahan untuk menghasilkan voltan elektrik apabila dikenakan tekanan mekanikal atau sebaliknya. Elektrostriktif adalah sifat sesetengah bahan untuk mengubah bentuk atau saiz mereka apabila dikenakan medan elektrik atau sebaliknya. Transduser digunakan untuk menghasilkan, mendeteksi, mengukur, dan mengawal gelombang bunyi, gelombang ultrabunyi, getaran, tekanan, daya, perpindahan, suhu, dll.
Peranti fotonik: Ini adalah peranti yang memanipulasi gelombang cahaya dengan menggunakan bahan dielektrik yang menunjukkan sifat optik seperti pembiasan, pantulan, penyerapan, penyebaran, dispersi, birefringensi, dll. Peranti fotonik digunakan untuk mentransmisikan, menerima, modulasi, beralih, menapis, memperbesar, membelah, menggabung, menyimpan, memproses, menampilkan, membayangkan, mendeteksi, dll., dan isyarat cahaya.
Peranti penyimpanan: Ini adalah peranti yang menyimpan maklumat dengan menggunakan bahan dielektrik yang menunjukkan
