Dielektrični materijali: Definicija, osobine i primene
Dielektrični materijal definiše se kao električni izolator koji se može polarizovati pod dejstvom primenjenog električnog polja. To znači da kada dielektrični materijal bude postavljen u električno polje, neće dozvoliti da električni naboji protiču kroz njega, već će usmjeriti svoje unutrašnje električne dipole (parove suprotnih naboja) u smjeru polja. Ova usmjerenja smanjuju ukupno električno polje unutar dielektričnog materijala i povećavaju kapacitet kondenzatora koji ga koristi.
Kako funkcioniraju dielektrični materijali?
Da bi razumeli kako funkcionišu dielektrični materijali, moramo znati neke osnovne koncepte elektromagnetizma.
Električno polje je prostor gde električni naboj iskušava silu. Smjer električnog polja je smjer sile na pozitivni naboj, a intenzitet električnog polja je proporcionalan jačini sile. Električna polja stvaraju se električnim nabojevima ili promjenjivim magnetskim poljima.
Električna polarizacija
Električna polarizacija predstavlja odvajanje pozitivnih i negativnih nabojeva unutar materijala zbog vanjskog električnog polja. Kada se materijal polarizuje, razvija električni dipolni moment, što je mera koliko su nabojevi odvojeni i kako su usmjereni. Električni dipolni moment materijala je proporcionalan njegovoj električnoj podložnosti, što je mera koliko lako može biti polarizovan.
Kapacitet
Kapacitet predstavlja sposobnost sistema da čuva električni naboj. Kondenzator je uređaj koji se sastoji od dva provodnika (ploče) odvojena izolatorom (dielektrikom). Kada se napon primjeni na pločama, stvara se električno polje između njih, a naboji se akumuliraju na svakoj ploči. Kapacitet kondenzatora je proporcionalan površini ploča, inverzno proporcionalan udaljenosti između njih i direktno proporcionalan dielektričnoj konstanti izolatora.
Svojstva dielektričnih materijala
Neki važni atributi dielektričnih materijala su:
Dielektrična konstanta: Ovo je bezdimenzioni broj koji pokazuje koliko materijal povećava kapacitet kondenzatora u odnosu na vakuum. Takođe se naziva relativna permitivnost ili omjer permitivnosti. Dielektrična konstanta vakuuma je 1, a dielektrična konstanta zraka oko 1,0006. Materijali sa visokim dielektričnim konstantama uključuju vodu (oko 80), barijum titanat (oko 1200) i strontijum titanat (oko 2000).
Dielektrička snaga: Ovo je maksimalno električno polje koje materijal može podneti bez raspada ili postanak provodnika. Mjeri se u voltima po metru (V/m) ili kilovoltima po milimetru (kV/mm). Dielektrička snaga zraka je oko 3 MV/m, a dielektrička snaga stakla oko 10 MV/m.
Dielektrička gubitnica: Ovo je količina energije koja se disipa kao toplota kada se alternativno električno polje primjeni na materijal. Mjeri se tangensom gubitaka ili faktorom disipacije, što je omjer imaginarnog dijela u odnosu na realni dio kompleksne permitivnosti. Dielektrička gubitnica zavisi o frekvenciji i temperaturi električnog polja, kao i o strukturi i čistoći materijala. Materijali sa niskom dielektričkom gubitnjom su željeni za primjene koje zahtijevaju visoku efikasnost i nisku grejanje.
Vrste i primjeri dielektričnih materijala
Dielektrični materijali mogu se klasificirati na različite vrste prema njihovoj molekularnoj strukturi i mehanizmu polarizacije. Neki uobičajeni tipovi i primjeri su:
Vakuum: Ovo je odsustvo tvari i stoga nema polarizaciju. Ima dielektričnu konstantu od 1 i nema dielektričnu gubitnju.
Plinovi: Sastoje se od atoma ili molekula koje su slabo vezane i mogu se slobodno kretati. Imaju niske dielektrične konstante (blizu 1) i niske dielektrične gubitnje. Primjeri uključuju zrak, dušik, helijum i šesti fluorid sirovine.
Tečnosti: Sastoje se od molekula koje su više vezane od plinova, ali se i dalje mogu kretati. Imaju veće dielektrične konstante od plinova (od 2 do 80) i veće dielektrične gubitnje. Primjeri uključuju vodu, transformatorsko ulje, etanol i gliserol.
Čvrste tvari: Sastoje se od atoma ili molekula koje su jako vezane na fiksne pozicije. Imaju veće dielektrične konstante od tečnosti (od 3 do 2000) i veće dielektrične gubitnje. Primjeri uključuju staklo, keramiku, plastike, gume, papir, mikro i kvarc.
Primjene dielektričnih materijala
Dielektrični materijali imaju mnoge primjene u različitim oblastima nauke i inženjerstva. Neki primjeri su:
Kondenzatori: Ovo su uređaji koji čuvaju električni naboj i energiju koristeći dielektrične materijale između dva provodnika. Kondenzatori se koriste za filtriranje, glačenje, vremensko upravljanje, spajanje, dekuple, tuniranje, senzore i pretvorbu struje u elektronskim krugovima.
Izolatori: Ovo su materijali koji sprječavaju proticaj električne struje kroz njih koristeći svoju visoku otpornost i visoku dielektričnu snagu. Izolatori se koriste za zaštitu, izolaciju, podršku i odvajanje električnih komponenti i žica.
Transducenti: Ovo su uređaji koji pretvaraju jednu formu energije u drugu koristeći dielektrične materijale koji pokazuju piezoelektričnost ili elektrostrikciju. Piezoelektričnost je osobina nekih materijala da generiraju električni napon kada su podvrgnuti mehaničkom stresu ili obrnuto. Elektrostrikcija je osobina nekih materijala da mijenjaju svoju formu ili veličinu kada su podvrgnuti električnom polju ili obrnuto. Transducenti se koriste za generiranje, detekciju, mjerenje i kontrolu zvučnih valova, ultrazvučnih valova, vibracija, pritiska, sile, pomaka, temperature itd.
Foton
