Диэлектрические материалы: определение свойства и применения
Диэлектрический материал определяется как электрический изолятор, который может быть поляризован приложенным электрическим полем. Это означает, что когда диэлектрический материал помещается в электрическое поле, он не позволяет электрическим зарядам проходить через него, а вместо этого выравнивает свои внутренние электрические диполи (пары противоположных зарядов) в направлении поля. Это выравнивание уменьшает общее электрическое поле внутри диэлектрического материала и увеличивает ёмкость конденсатора, который его использует.
Как работают диэлектрические материалы?
Чтобы понять, как работают диэлектрические материалы, нам нужно знать некоторые основные понятия электромагнетизма.
Электрическое поле — это область пространства, где электрический заряд испытывает силу. Направление электрического поля совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, а величина электрического поля пропорциональна силе этой силы. Электрические поля создаются электрическими зарядами или изменяющимися магнитными полями.
Электрическая поляризация
Электрическая поляризация — это разделение положительных и отрицательных зарядов внутри материала под воздействием внешнего электрического поля. Когда материал поляризуется, он развивает электрический дипольный момент, который является мерой того, насколько заряды разделены и как они выровнены. Электрический дипольный момент материала пропорционален его электрической восприимчивости, которая является мерой того, насколько легко он может быть поляризован.
Ёмкость
Ёмкость — это способность системы хранить электрический заряд. Конденсатор — это устройство, состоящее из двух проводников (пластин), разделённых изолятором (диэлектриком). Когда напряжение применяется к пластинам, между ними создается электрическое поле, и заряды накапливаются на каждой пластине. Ёмкость конденсатора пропорциональна площади пластин, обратно пропорциональна расстоянию между ними и прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости изолятора.
Свойства диэлектрических материалов
Некоторые важные свойства диэлектрических материалов:
Диэлектрическая проницаемость: Это безразмерная величина, указывающая, насколько материал увеличивает ёмкость конденсатора по сравнению с вакуумом. Её также называют относительной диэлектрической проницаемостью или отношением проницаемостей. Диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1, а диэлектрическая проницаемость воздуха составляет около 1,0006. Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью включают воду (около 80), барий титанат (около 1200) и стронций титанат (около 2000).
Диэлектрическая прочность: Это максимальное электрическое поле, которое материал может выдержать, не разрушившись или не став проводником. Она измеряется в вольтах на метр (В/м) или киловольтах на миллиметр (кВ/мм). Диэлектрическая прочность воздуха составляет около 3 МВ/м, а диэлектрическая прочность стекла — около 10 МВ/м.
Диэлектрические потери: Это количество энергии, рассеиваемое в виде тепла, когда к материалу применяется переменное электрическое поле. Они измеряются тангенсом угла потерь или фактором диссипации, который является отношением мнимой части к реальной части комплексной диэлектрической проницаемости. Диэлектрические потери зависят от частоты и температуры электрического поля, а также от структуры и чистоты материала. Материалы с низкими диэлектрическими потерями предпочтительны для применения, требующего высокой эффективности и низкого нагрева.
Типы и примеры диэлектрических материалов
Диэлектрические материалы можно классифицировать по их молекулярной структуре и механизму поляризации. Некоторые распространенные типы и примеры:
Вакуум: Это отсутствие материи, поэтому нет поляризации. Он имеет диэлектрическую проницаемость 1 и отсутствие диэлектрических потерь.
Газы: Эти материалы состоят из атомов или молекул, которые слабо связаны и могут свободно перемещаться. Они имеют низкую диэлектрическую проницаемость (близкую к 1) и низкие диэлектрические потери. Примеры включают воздух, азот, гелий и серный гексафторид.
Жидкости: Эти материалы состоят из молекул, которые более плотно связаны, чем газы, но все еще могут двигаться. У них выше диэлектрическая проницаемость, чем у газов (от 2 до 80), и выше диэлектрические потери. Примеры включают воду, трансформаторное масло, этанол и глицерин.
Твердые вещества: Эти материалы состоят из атомов или молекул, которые сильно связаны в фиксированных позициях. У них выше диэлектрическая проницаемость, чем у жидкостей (от 3 до 2000), и выше диэлектрические потери. Примеры включают стекло, керамику, пластмассы, резину, бумагу, слюду и кварц.
Применение диэлектрических материалов
Диэлектрические материалы имеют множество применений в различных областях науки и техники. Некоторые примеры:
Конденсаторы: Это устройства, которые хранят электрический заряд и энергию, используя диэлектрические материалы между двумя проводниками. Конденсаторы используются для фильтрации, сглаживания, временной задержки, связи, декуплинга, настройки, обнаружения и преобразования мощности в электронных схемах.
Изоляторы: Это материалы, которые предотвращают электрический ток, проходящий через них, используя свою высокую сопротивляемость и высокую диэлектрическую прочность. Изоляторы используются для защиты, изоляции, поддержки и разделения электрических компонентов и проводов.
Переходники: Это устройства, которые преобразуют одну форму энергии в другую, используя диэлектрические материалы, которые демонстрируют пьезоэлектричество или электроstriction. Пьезоэлектричество — это свойство некоторых материалов генерировать электрическое напряжение, когда они подвергаются механическому напряжению, или наоборот. Электроstriction — это свойство некоторых материалов изменять свою форму или размер, когда они подвергаются электрическому полю, или наоборот. Переходники используются для генерации, обнаружения, измерения и контроля звуковых волн, ультразвуковых волн, вибраций, давления, силы, перемещения, температуры и т.д.
Фотонные устройства: Это устройства, которые манипулируют световыми волнами, используя диэлектрические материалы, которые демонстрируют оптические свойства, такие как преломление, отражение, поглощение, рассеяние, дисперсия, двулучепреломление и т.д. Фотонные устройства используются для передачи, приема, модуляции, переключения, фильтрации, усиления, разделения, комбинирования, хранения, обработки, отображения, визуализации, обнаружения и т.д. световых сигналов.
