Dielektriska material: Definition egenskaper och tillämpningar
Ett dielektriskt material definieras som en elektrisk isolator som kan polariseras av ett tillämpat elektriskt fält. Detta betyder att när ett dielektriskt material placeras i ett elektriskt fält, låter det inte elektriska laddningar flöda genom det, utan ställer istället in sina interna elektriska dipoler (par av motsatta laddningar) i fältets riktning. Denna justering minskar det totala elektriska fältet inuti det dielektriska materialet och ökar kapacitansen hos en kondensator som använder det.
Hur fungerar dielektriska material?
För att förstå hur dielektriska material fungerar behöver vi känna till några grundläggande begrepp inom elektromagnetism.
Ett elektriskt fält är ett område i rummet där en elektrisk laddning upplever en kraft. Fältets riktning är kraftens riktning på en positiv laddning, och fältets storlek är proportionell mot kraftens styrka. Elektriska fält skapas av elektriska laddningar eller förändringar i magnetfält.
Elektrisk polarisering
Elektrisk polarisering är separationen av positiva och negativa laddningar inom ett material på grund av ett externt elektriskt fält. När ett material polariseras utvecklar det ett elektriskt dipolmoment, vilket är ett mått på hur mycket laddningarna är separerade och hur de är justerade. Ett materials elektriska dipolmoment är proportionellt mot dess elektriska susceptibilitet, vilket är ett mått på hur lätt det kan polariseras.
Kapacitans
Kapacitans är förmågan hos ett system att lagra elektrisk laddning. En kondensator är en enhet som består av två ledare (plattor) separerade av en isolator (dielektrikum). När en spänning appliceras över plattorna, skapas ett elektriskt fält mellan dem, och laddningar ackumuleras på varje platta. Kondensatorns kapacitans är proportionell mot plattornas area, inversproportionell mot avståndet mellan dem och direkt proportionell mot dielektrikums konstant för isolatorn.
Egenskaper hos dielektriska material
Några viktiga egenskaper hos dielektriska material är:
Dielektrisk konstant: Detta är en dimensionslös storhet som indikerar hur mycket ett material ökar kapacitansen hos en kondensator jämfört med vakuum. Den kallas också relativ permitivitet eller permitivitetsförhållande. Vakuum har en dielektrisk konstant på 1, och luftens dielektriska konstant är cirka 1,0006. Material med höga dielektriska konstanter inkluderar vatten (cirka 80), bariumtitant (cirka 1200) och strontiumtitant (cirka 2000).
Dielektrisk styrka: Detta är det maximala elektriska fält som ett material kan uthärda utan att brytas ner eller bli ledande. Det mäts i volt per meter (V/m) eller kilovolt per millimeter (kV/mm). Luftens dielektriska styrka är cirka 3 MV/m, och glasets dielektriska styrka är cirka 10 MV/m.
Dielektrisk förlust: Detta är mängden energi som släpps som värme när ett alternerande elektriskt fält appliceras på ett material. Det mäts av förlusttangenten eller dissipationsfaktorn, vilket är förhållandet mellan den imaginära delen och den reella delen av den komplexa permitiviteten. Dielektrisk förlust beror på frekvens och temperatur av det elektriska fältet, samt materialstruktur och renhet. Material med låg dielektrisk förlust är önskvärda för tillämpningar som kräver hög effektivitet och låg uppvärmning.
Typer och exempel på dielektriska material
Dielektriska material kan indelas i olika typer baserat på deras molekylära struktur och polariseringsmekanism. Några vanliga typer och exempel är:
Vakuum: Detta är frånvaron av materiel och har därför ingen polarisering. Det har en dielektrisk konstant på 1 och ingen dielektrisk förlust.
Gaser: Dessa består av atomer eller molekyler som är löst bundna och kan röra sig fritt. De har låga dielektriska konstanter (nära 1) och låga dielektriska förluster. Exempel inkluderar luft, kväve, helium och svavexahfluorid.
Vätskor: Dessa består av molekyler som är mer tätt bundna än gaser men fortfarande kan röra sig runt. De har högre dielektriska konstanter än gaser (som varierar mellan 2 och 80) och högre dielektriska förluster. Exempel inkluderar vatten, transformator olja, etanol och glycerol.
Fastigheter: Dessa består av atomer eller molekyler som är starkt bundna i fast position. De har högre dielektriska konstanter än vätskor (som varierar mellan 3 och 2000) och högre dielektriska förluster. Exempel inkluderar glas, keramik, plast, gummi, papper, mika och kvarts.
Tillämpningar av dielektriska material
Dielektriska material har många tillämpningar inom olika vetenskapliga och tekniska områden. Några exempel är:
Kondensatorer: Dessa är enheter som lagrar elektrisk laddning och energi genom att använda dielektriska material mellan två ledare. Kondensatorer används för filtrering, smoothening, timing, koppling, decoupling, tuning, sensoring och effektkonvertering i elektroniska kretsar.
Isolatorer: Dessa är material som förhindrar elektrisk ström från att flöda genom dem genom att använda sin höga motstånd och höga dielektriska styrka. Isolatorer används för skydd, isolering, stöd och separation av elektriska komponenter och trådar.
Transducenter: Dessa är enheter som konverterar en form av energi till en annan genom att använda dielektriska material som visar piezo-elektricitet eller elektrostriction. Piezo-elektricitet är egenskapen hos vissa material att generera elektrisk spänning när de utsätts för mekanisk stress eller vice versa. Elektrostriction är egenskapen hos vissa material att ändra form eller storlek när de utsätts för ett elektriskt fält eller vice versa. Transducenter används för att generera, detektera, mäta och kontrollera ljudvågor, ultraljudsvågor, vibrationer, tryck, kraft, förskjutning, temperatur osv.
Fotoniska enheter: Dessa är enheter som manipulerar ljusvågor genom att använda dielektriska material som visar optiska egenskaper som refraktion, reflektion, absorption, spridning, dispersion, birefringens osv. Fotoniska enheter används för att sända, ta emot, modulera, växla, filtrera, förstärka, dela, kombinera, lagra, processera, visa, avbilda, sensora osv. ljussignaler.
