Dielektriske materialer: Definisjon egenskaper og anvendelser
Dielektrisk materiale er definert som et elektrisk isolator som kan polariseres av et anvendt elektrisk felt. Dette betyr at når et dielektrisk materiale plasseres i et elektrisk felt, tillater det ikke elektriske ladninger å strømme gjennom det, men istedenfor justerer det sine interne elektriske dipoler (par med motsatte ladninger) i feltets retning. Denne justeringen reduserer det totale elektriske feltet inni det dielektriske materialet og øker kapasitansen til en kondensator som bruker det.
Hvordan fungerer dielektriske materialer?
For å forstå hvordan dielektriske materialer fungerer, må vi kjenne noen grunnleggende konsepter innen elektromagnetisme.
Et elektrisk felt er et område i rommet hvor en elektrisk lading opplever en kraft. Retningen av det elektriske feltet er retningen av kraften på en positiv lading, og størrelsen på det elektriske feltet er proporsjonal til styrken av kraften. Elektriske felt skapes av elektriske ladninger eller endrende magnetiske felt.
Elektrisk polarisering
Elektrisk polarisering er separasjon av positive og negative ladninger innenfor et materiale på grunn av et eksternt elektrisk felt. Når et materiale polariseres, utvikler det et elektrisk dipolmoment, som er et mål på hvor mye ladningene er separert og hvordan de er justert. Det elektriske dipolmomentet til et materiale er proporsjonalt med dets elektriske susseptibilitet, som er et mål på hvor lett det kan polariseres.
Kapasitans
Kapasitans er evnen til et system til å lagre elektrisk ladning. En kondensator er et enhet som består av to ledere (plater) separert av en isolator (dielektrisk). Når en spenning settes over platene, skapes et elektrisk felt mellom dem, og ladninger akkumuleres på hver plate. Kapasitansen til en kondensator er proporsjonal med areal av platene, inversproporsjonal med avstanden mellom dem, og direkte proporsjonal med dielektrisk konstanten til isolatoren.
Egenskaper ved dielektriske materialer
Noen viktige egenskaper ved dielektriske materialer er:
Dielektrisk konstant: Dette er en dimensjonsløs verdi som indikerer hvor mye et materiale øker kapasitansen til en kondensator sammenlignet med vakuum. Det kalles også relativ permitivitet eller permitivitetsforhold. Dielektrisk konstanten til vakuum er 1, og dielektrisk konstanten til luft er omtrent 1,0006. Materialer med høy dielektrisk konstant inkluderer vann (omtrent 80), bariumtitananat (omtrent 1200) og strontiumtitananat (omtrent 2000).
Dielektrisk styrke: Dette er det maksimale elektriske feltet et materiale kan tåle uten å bryte ned eller bli ledende. Det måles i volt per meter (V/m) eller kilovolt per millimeter (kV/mm). Dielektrisk styrken til luft er omtrent 3 MV/m, og dielektrisk styrken til glass er omtrent 10 MV/m.
Dielektrisk tap: Dette er mengden energi som dissiperes som varme når et alternerende elektrisk felt settes på et materiale. Det måles ved hjelp av tapstangenten eller dissipasjonsfaktor, som er forholdet mellom den imaginære delen til den reelle delen av den komplekse permitiviteten. Dielektrisk tap avhenger av frekvensen og temperaturen av det elektriske feltet, samt strukturen og renheten av materialet. Materialer med lav dielektrisk tap er ønskværdige for applikasjoner som krever høy effektivitet og lav varming.
Typer og eksempler på dielektriske materialer
Dielektriske materialer kan klassifiseres i ulike typer basert på deres molekylære struktur og polariseringsmekanisme. Noen vanlige typer og eksempler er:
Vakuum: Dette er fraværet av materie og har derfor ingen polarisering. Det har en dielektrisk konstant på 1 og ingen dielektrisk tap.
Gasser: Disse består av atomer eller molekyler som er løst bundet og kan bevege seg fritt. De har lave dielektriske konstanter (nær 1) og lave dielektriske tap. Eksempler inkluderer luft, nitrogen, helium og svovelhexafluorid.
Væsker: Disse består av molekyler som er mer fast bundet enn gasser, men fremdeles kan bevege seg rundt. De har høyere dielektriske konstanter enn gasser (varierer fra 2 til 80) og høyere dielektriske tap. Eksempler inkluderer vann, transformator olje, etanol og glyserol.
Solidmaterialer: Disse består av atomer eller molekyler som er sterkt bundet i faste posisjoner. De har høyere dielektriske konstanter enn væsker (varierer fra 3 til 2000) og høyere dielektriske tap. Eksempler inkluderer glass, keramikk, plast, gummi, papir, mika og kvarts.
Anvendelser av dielektriske materialer
Dielektriske materialer har mange anvendelser i ulike felt av vitenskap og teknologi. Noen eksempler er:
Kondensatorer: Disse er enheter som lagrer elektrisk ladning og energi ved å bruke dielektriske materialer mellom to ledere. Kondensatorer brukes for filtrering, glatting, tidsetting, kobling, dekobling, justering, sensering og effektkonvertering i elektroniske kretser.
Isolatorer: Disse er materialer som forhindrer elektrisk strøm fra å strømme gjennom dem ved å bruke sin høye motstand og høye dielektriske styrke. Isolatorer brukes for å beskytte, isolare, støtte og separate elektriske komponenter og ledninger.
Transducere: Disse er enheter som konverterer en form for energi til en annen ved å bruke dielektriske materialer som viser piezoelektrisitet eller elektrostriksjon. Piezoelektrisitet er egenskapen til noen materialer til å generere elektrisk spenning når de utsatt for mekanisk stress eller motsatt. Elektrostriksjon er egenskapen til noen materialer til å endre form eller størrelse når de utsatt for et elektrisk felt eller motsatt. Transducere brukes for å generere, detektere, måle og kontrollere lydbølger, ultralydbølger, vibrasjoner, trykk, kraft, forskyvning, temperatur osv.
Fotoniske enheter: Disse er enheter som manipulerer lysbølger ved å bruke dielektriske materialer som viser optiske egenskaper som brekningsindeks, refleksjon, absorpsjon, spreng, dispersjon, dobbeltbrekningsindeks osv. Fotoniske enheter brukes for å sende, motta, modulere, skifte, filtrere, forsterke, dele, kombinere, lagre, behandle, vise, bildeføre, sense osv. lysignaler.
