Materiały dielektryczne: Definicja właściwości i zastosowania
Materiał dielектryczny definiuje się jako izolator elektryczny, który może być zapolaryzowany przez zastosowane pole elektryczne. Oznacza to, że gdy materiał dielектryczny jest umieszczony w polu elektrycznym, nie pozwala na przepływ ładunków elektrycznych, ale zamiast tego ustawia swoje wewnętrzne dipole elektryczne (pary ładunków o przeciwnych znakach) w kierunku pola. Ta ustawienie zmniejsza ogólne pole elektryczne wewnątrz materiału dielектrycznego i zwiększa pojemność kondensatora, który go używa.
Jak działają materiały dielектryczne?
Aby zrozumieć, jak działają materiały dielектryczne, musimy poznać podstawowe koncepcje elektromagnetyzmu.
Pole elektryczne to obszar przestrzeni, gdzie ładunek elektryczny doświadcza siły. Kierunek pola elektrycznego to kierunek siły działającej na ładunek dodatni, a wielkość pola elektrycznego jest proporcjonalna do siły. Pola elektryczne są tworzone przez ładunki elektryczne lub zmieniające się pola magnetyczne.
Polaryzacja elektryczna
Polaryzacja elektryczna to rozdzielenie ładunków dodatnich i ujemnych w materiale spowodowane zewnętrznym polem elektrycznym. Gdy materiał jest zapolaryzowany, rozwija moment dipolowy, który mierzy, jak bardzo ładunki są rozdzielone i jak są ustawione. Moment dipolowy materiału jest proporcjonalny do jego elektrycznej podatności, która mierzy, jak łatwo można go zapolaryzować.
Pojemność
Pojemność to zdolność systemu do przechowywania ładunku elektrycznego. Kondensator to urządzenie składające się z dwóch przewodników ( płyt ) oddzielonych izolatorem (materiałem dielектrycznym). Gdy napięcie jest zastosowane między płytami, tworzy się pole elektryczne między nimi, a ładunki gromadzą się na każdej płycie. Pojemność kondensatora jest proporcjonalna do powierzchni płyt, odwrotnie proporcjonalna do odległości między nimi i bezpośrednio proporcjonalna do stałej dielektrycznej izolatora.
Właściwości materiałów dielектrycznych
Niektóre ważne właściwości materiałów dielектrycznych to:
Stała dielektryczna: To bezwymiarowa wielkość, która wskazuje, jak bardzo materiał zwiększa pojemność kondensatora w porównaniu z próżnią. Nazywana jest również relatywną przenikalnością elektryczną lub stosunkiem przenikalności. Stała dielektryczna próżni wynosi 1, a stała dielektryczna powietrza wynosi około 1,0006. Materiały o wysokich stałych dielektrycznych obejmują wodę (około 80), titanian baru (około 1200) i titanian strontu (około 2000).
Wytrzymałość dielektryczna: To maksymalne pole elektryczne, które materiał może wytrzymać bez rozpadnięcia się lub stania się przewodzącym. Jest mierzona w woltach na metr (V/m) lub kilowoltach na milimetr (kV/mm). Wytrzymałość dielektryczna powietrza wynosi około 3 MV/m, a wytrzymałość dielektryczna szkła wynosi około 10 MV/m.
Strata dielektryczna: To ilość energii, która jest rozprasza się jako ciepło, gdy do materiału zastosowane jest zmienny prąd elektryczny. Jest mierzona przez tangens strat lub współczynnik dyspersji, który to stosunek części urojonej do części rzeczywistej zespolonej przenikalności. Strata dielektryczna zależy od częstotliwości i temperatury pola elektrycznego, a także od struktury i czystości materiału. Materiały o niskiej stracie dielektrycznej są pożądane w aplikacjach wymagających wysokiej wydajności i niskiego nagrzewania.
Typy i przykłady materiałów dielектrycznych
Materiały dielектryczne mogą być klasyfikowane na różne typy w zależności od ich struktury molekularnej i mechanizmu polaryzacji. Niektóre typowe rodzaje i przykłady to:
Próżnia: To brak materii, co oznacza, że nie ma polaryzacji. Ma stałą dielektryczną równą 1 i nie ma strat dielektrycznych.
Gazy: Składają się one z atomów lub cząsteczek, które są luźno związane i mogą swobodnie się poruszać. Mają niskie stałe dielektryczne (bliskie 1) i niskie straty dielektryczne. Przykłady to powietrze, azot, hel i sześciufluorek siarki.
Ciecze: Składają się one z cząsteczek, które są bardziej ściśle związane niż gazy, ale nadal mogą się poruszać. Mają wyższe stałe dielektryczne niż gazy (od 2 do 80) i wyższe straty dielektryczne. Przykłady to woda, olej transformatora, etanol i glicerol.
Ciała stałe: Składają się one z atomów lub cząsteczek, które są silnie związane w ustalonych pozycjach. Mają wyższe stałe dielektryczne niż ciecze (od 3 do 2000) i wyższe straty dielektryczne. Przykłady to szkło, ceramika, plastiki, guma, papier, mikę i kwarc.
Zastosowania materiałów dielектrycznych
Materiały dielектryczne mają wiele zastosowań w różnych dziedzinach nauki i inżynierii. Niektóre przykłady to:
Kondensatory: Są to urządzenia, które przechowują ładunek elektryczny i energię, używając materiałów dielектrycznych między dwoma przewodnikami. Kondensatory są używane do filtrowania, wygładzania, czasowania, sprzęgania, dekuplowania, strojenia, pomiarów i konwersji mocy w obwodach elektronicznych.
Izolatory: Są to materiały, które zapobiegają przepływowi prądu elektrycznego, korzystając z wysokiej oporności i wysokiej wytrzymałości dielektrycznej. Izolatory są używane do ochrony, izolacji, wspierania i rozdzielenia komponentów elektrycznych i przewodów.
Transducery: Są to urządzenia, które przekształcają jedną formę energii w inną, korzystając z materiałów dielектrycznych, które wykazują piezoelektryczność lub elektrostrykcję. Piezoelektryczność to własność niektórych materiałów, aby generować napięcie elektryczne, gdy są poddawane naprężeniom mechanicznym lub odwrotnie. Elektrostrykcja to własność niektórych materiałów, aby zmieniać swój kształt lub rozmiar, gdy są poddawane polu elektrycznemu lub odwrotnie. Transducery są używane do generowania, wykrywania, pomiaru i kontroli fal dźwiękowych, ultradźwiękowych, drgań, ciśnienia, siły, przemieszczenia, temperatury itp.
Urządzenia fotoniczne: Są to urządzenia, które manipulują falami światła, korzystając z materiałów dielектrycznych, które wykazują właściwości optyczne, takie jak załamanie, odbicie, absorpcja, rozpraszanie, dyspersja, dwuosiowość itp. Urządzenia fotoniczne są używane do transmisji, odbioru, modulacji, przełączania, filtrowania, wzmacniania, dzielenia, łączenia, przechowywania, przetwarzania, wyświetlenia, obrazowania, pomiaru itp. sygnałów świetlnych.
