Dielectrische materialen: Definitie, eigenschappen en toepassingen
Een dielectrisch materiaal wordt gedefinieerd als een elektrische isolator die gepolariseerd kan worden door een aangebracht elektrisch veld. Dit betekent dat wanneer een dielectrisch materiaal in een elektrisch veld wordt geplaatst, het geen elektrische ladingen doorlaat, maar in plaats daarvan zijn interne elektrische dipolen (paren van tegengestelde ladingen) uitlijnt in de richting van het veld. Deze uitlijning vermindert het totale elektrische veld binnen het dielectrische materiaal en verhoogt de capaciteit van een condensator die het gebruikt.
Hoe werken dielectrische materialen?
Om te begrijpen hoe dielectrische materialen werken, moeten we enkele basisconcepten van elektromagnetisme kennen.
Een elektrisch veld is een gebied in de ruimte waar een elektrische lading een kracht ervaart. De richting van het elektrische veld is de richting van de kracht op een positieve lading, en de grootte van het elektrische veld is evenredig met de sterkte van de kracht. Elektrische velden worden veroorzaakt door elektrische ladingen of veranderende magnetische velden.
Elektrische polarisatie
Elektrische polarisatie is de scheiding van positieve en negatieve ladingen binnen een materiaal door een extern elektrisch veld. Wanneer een materiaal gepolariseerd wordt, ontwikkelt het een elektrisch dipoolmoment, wat een maat is voor hoeveel de ladingen gescheiden zijn en hoe ze gericht zijn. Het elektrische dipoolmoment van een materiaal is evenredig met zijn elektrische susceptibiliteit, wat een maat is voor hoe gemakkelijk het gepolariseerd kan worden.
Capaciteit
Capaciteit is de vermogen van een systeem om elektrische lading op te slaan. Een condensator is een apparaat dat bestaat uit twee geleiders (platen) gescheiden door een isolator (dielectrisch). Wanneer er een spanning over de platen wordt aangebracht, ontstaat er een elektrisch veld tussen hen, en accumuleren ladingen op elke plaat. De capaciteit van een condensator is evenredig met het oppervlak van de platen, omgekeerd evenredig met de afstand tussen hen, en direct evenredig met de dielectrische constante van de isolator.
Eigenschappen van dielectrische materialen
Enkele belangrijke eigenschappen van dielectrische materialen zijn:
Dielectrische constante: Dit is een dimensieloze grootheid die aangeeft hoeveel een materiaal de capaciteit van een condensator vergroot ten opzichte van een vacuüm. Het wordt ook wel relatieve permitiviteit of permitiviteitsratio genoemd. De dielectrische constante van een vacuüm is 1, en de dielectrische constante van lucht is ongeveer 1,0006. Materialen met hoge dielectrische constanten zijn water (ongeveer 80), bariumtitanaat (ongeveer 1200) en strontiumtitanaat (ongeveer 2000).
Dielectrische sterkte: Dit is het maximale elektrische veld dat een materiaal kan weerstaan zonder te breken of geleidend te worden. Het wordt gemeten in volt per meter (V/m) of kilovolt per millimeter (kV/mm). De dielectrische sterkte van lucht is ongeveer 3 MV/m, en de dielectrische sterkte van glas is ongeveer 10 MV/m.
Dielectrisch verlies: Dit is het bedrag aan energie dat als warmte wordt gedissipeerd wanneer een wisselend elektrisch veld wordt toegepast op een materiaal. Het wordt gemeten door de tan delta of dissipatiefactor, wat het verhouding is van het imaginaire deel tot het reële deel van de complexe permitiviteit. Het dielectrisch verlies hangt af van de frequentie en temperatuur van het elektrische veld, evenals de structuur en zuiverheid van het materiaal. Materialen met laag dielectrisch verlies zijn gewenst voor toepassingen die hoge efficiëntie en lage verwarming vereisen.
Soorten en voorbeelden van dielectrische materialen
Dielectrische materialen kunnen worden ingedeeld in verschillende soorten op basis van hun moleculaire structuur en polarisatiemechanisme. Enkele algemene soorten en voorbeelden zijn:
Vacuüm: Dit is het afwezigheid van materie en heeft dus geen polarisatie. Het heeft een dielectrische constante van 1 en geen dielectrisch verlies.
Gassen: Deze bestaan uit atomen of moleculen die losjes verbonden zijn en vrij kunnen bewegen. Ze hebben lage dielectrische constanten (dicht bij 1) en lage dielectrische verliezen. Voorbeelden zijn lucht, stikstof, helium en zwaveldexafluoride.
Vloeistoffen: Deze bestaan uit moleculen die meer strak verbonden zijn dan gassen, maar nog steeds kunnen rondbewegen. Ze hebben hogere dielectrische constanten dan gassen (variërend van 2 tot 80) en hogere dielectrische verliezen. Voorbeelden zijn water, transformator olie, ethanol en glycerol.
Vaste stoffen: Deze bestaan uit atomen of moleculen die sterk verbonden zijn in vaste posities. Ze hebben hogere dielectrische constanten dan vloeistoffen (variërend van 3 tot 2000) en hogere dielectrische verliezen. Voorbeelden zijn glas, keramiek, kunststoffen, rubber, papier, mica en kwarts.
Toepassingen van dielectrische materialen
Dielectrische materialen hebben veel toepassingen in verschillende takken van wetenschap en techniek. Enkele voorbeelden zijn:
Condensatoren: Dit zijn apparaten die elektrische lading en energie opslaan door gebruik te maken van dielectrische materialen tussen twee geleiders. Condensatoren worden gebruikt voor filteren, gladstellen, tijdsinstelling, koppeling, decoupling, afstemming, sensoren en energieomzetting in elektronische schakelingen.
Isolatoren: Dit zijn materialen die voorkomen dat elektrische stroom door hen heen stroomt door gebruik te maken van hun hoge weerstand en hoge dielectrische sterkte. Isolatoren worden gebruikt voor beschermen, isoleren, ondersteunen en scheiden van elektrische componenten en draden.
Transductoren: Dit zijn apparaten die één vorm van energie omzetten in een andere door gebruik te maken van dielectrische materialen die piezoelektriciteit of elektrostricte eigenschappen vertonen. Piezoelektriciteit is de eigenschap van sommige materialen om elektrische spanning te genereren wanneer ze blootgesteld worden aan mechanische spanning of vice versa. Elektrostricte eigenschappen zijn de eigenschappen van sommige materialen om hun vorm of grootte te veranderen wanneer ze blootgesteld worden aan een elektrisch veld of vice versa. Transductoren worden gebruikt voor genereren, detecteren, meten en controleren van geluidsgolven, ultrasone golven, trillingen, druk, kracht, verplaatsing, temperatuur, enz.
Fotonische apparaten: Dit zijn apparaten die lichtgolven manipuleren door gebruik te maken van dielectrische materialen die optische eigenschappen vertonen zoals refractie, reflectie, absorptie, verstrooiing, dispersie, birefringentie, enz. Fotonische apparaten worden gebruikt voor overbrengen, ontvangen, moduleren, schakelen, filteren, versterken, splitsen, combineren, opslaan, verwerken, weergeven, beeldvorming, detecteren, enz., van lichtsignalen.
