Dielektrični materiali: Definicija lastnosti in uporabe
Dielektrični material je definiran kot električni izolator, ki se lahko polarizira pod vplivom električnega polja. To pomeni, da kadar dielektrični material postavimo v električno polje, ne dovoljuje, da skozi njega tečejo električne naboje, ampak namesto tega poravnava svoje notranje električne dipole (pari nasprotnih nabojov) v smeri polja. Ta poravnava zmanjša celotno električno polje znotraj dielektričnega materiala in poveča kapacitivnost kondenzatorja, ki ga uporablja.
Kako delujejo dielektrični materiali?
Da bi razumeli, kako delujejo dielektrični materiali, moramo poznati nekatere osnovne koncepte elektromagnetizma.
Električno polje je območje prostora, kjer električni naboj izkuša silo. Smer električnega polja je smer sile na pozitiven naboj, velikost električnega polja pa je sorazmerna moči sile. Električna polja ustvarijo električni naboji ali spreminjajoči se magnetni polji.
Električna polarizacija
Električna polarizacija je ločitev pozitivnih in negativnih nabojev znotraj materiala zaradi zunanjega električnega polja. Ko je material polariziran, se v njem razvije električni dipolni moment, ki meri, kako so naboji ločeni in kako so poravnani. Električni dipolni moment materiala je sorazmeren njegovi električni podajljivosti, ki meri, kako enostavno se lahko polarizira.
Kapacitivnost
Kapacitivnost je sposobnost sistema, da shranjuje električni naboj. Kondenzator je naprava, sestavljena iz dveh vodil (plat), ločenih z izolatorjem (dielektrik). Ko je na plate priključena napetost, se med njima ustvari električno polje, in naboji se akumulirajo na vsaki plati. Kapacitivnost kondenzatorja je sorazmerna površini plat, obratno sorazmerna razdalji med njima in neposredno sorazmerna dielektrični konstanti izolatorja.
Lastnosti dielektričnih materialov
Nekatere pomembne lastnosti dielektričnih materialov so:
Dielektrična konstanta: To je brezrazsežna količina, ki kaže, koliko material poveča kapacitivnost kondenzatorja v primerjavi s vakuumom. Tudi jo imenujemo relativna permitivnost ali omerni koeficient permitivnosti. Dielektrična konstanta vakuuma je 1, dielektrična konstanta zraka pa je približno 1,0006. Materiali z visokimi dielektričnimi konstantami vključujejo vodo (približno 80), barij titanat (približno 1200) in stroncij titanat (približno 2000).
Dielektrična trdnost: To je največje električno polje, ki ga material lahko prenaša, ne da bi se razbil ali postal vodil. Meri se v voltih na meter (V/m) ali kilovoltih na milimeter (kV/mm). Dielektrična trdnost zraka je približno 3 MV/m, dielektrična trdnost stekla pa je približno 10 MV/m.
Dielektrična izguba: To je količina energije, ki se odvede kot toplota, ko se materialu nanese spremenljivo električno polje. Meri se z tangensom izgube ali faktorom disipacije, ki je omerek imaginarnega dela kompleksne permitivnosti realnemu delu. Dielektrična izguba odvisna je od frekvence in temperature električnega polja, strukture in čistote materiala. Materiali z nizkimi dielektričnimi izgubami so želeni za uporabo, ki zahteva visoko učinkovitost in nizko segrevanje.
Vrste in primeri dielektričnih materialov
Dielektrične materiale lahko razdelimo na različne vrste glede na njihovo molekularno strukturo in mehanizem polarizacije. Nekatere pogoste vrste in primeri so:
Vakuum: To je odsotnost snovi in zato nima polarizacije. Imenuje dielektrično konstanto 1 in nima dielektričnih izgub.
Plini: Ti so sestavljeni iz atomov ali molekul, ki so slabo vezani in se lahko prosto gibljejo. Imajo nizke dielektrične konstante (blizu 1) in nizke dielektrične izgube. Primeri vključujejo zrak, dušik, helium in šestfluoroetan.
Tekočine: Te so sestavljene iz molekul, ki so tesneje vezane kot plini, vendar se še vedno lahko gibljejo. Imajo višje dielektrične konstante kot plini (v obsegu od 2 do 80) in višje dielektrične izgube. Primeri vključujejo vodo, transformatorsko olje, etanol in gliserol.
Trditve: Te so sestavljene iz atomov ali molekul, ki so močno vezani v fiksne položaje. Imajo višje dielektrične konstante kot tekočine (v obsegu od 3 do 2000) in višje dielektrične izgube. Primeri vključujejo steklo, keramiko, plastike, gume, papir, mika in kvarc.
Uporaba dielektričnih materialov
Dielektrični materiali imajo mnogo uporab v različnih področjih znanosti in tehnologije. Nekateri primeri so:
Kondenzatorji: To so naprave, ki shranjujejo električni naboj in energijo z uporabo dielektričnih materialov med dvema vodiloma. Kondenzatorji se uporabljajo za filtriranje, gladenje, časovanje, koplanje, dekoplanje, navadjanje, merjenje in pretvorbo moči v elektronskih vezjih.
Izolatori: To so materiali, ki preprečujejo, da električni tok teče skozi njih, z uporabo svoje visoke upornosti in visoke dielektrične trdnosti. Izolatori se uporabljajo za zaščito, izolacijo, podporo in ločevanje električnih komponent in vodov.
Preoblikovalniki: To so naprave, ki pretvarjajo eno obliko energije v drugo z uporabo dielektričnih materialov, ki pokazujejo piezoelektričnost ali elektrostrikcijo. Piezoelektričnost je lastnost nekaterih materialov, da generirajo električno napetost, ko so podvrženi mehanski posili, ali obratno. Elektrostrukcija je lastnost nekaterih materialov, da spremenijo svojo obliko ali velikost, ko jih podvržemo električnemu polju, ali obratno. Preoblikovalniki se uporabljajo za generiranje, zaznavanje, merjenje in nadzor zvočnih valov, ultrazvočnih valov, vibracij, tlaka, sile, premika, temperature itd.
Fotonične naprave: To so naprave, ki manipulirajo svetlobnimi vali z uporabo dielektričnih materialov, ki pokazujejo optične lastnosti, kot so lom, odboj, absorpcija, razprševanje, dispersija, dvopolarnost itd. Fotonične naprave se uporabljajo za prenos, sprejem, modulacijo, preklop, filtriranje, pojačevanje, razdeljevanje, združevanje,
