Mga Materyales na Dielectric: Paglalarawan, Katangian at mga Application
Ang materyal na dielectric ay inilalarawan bilang isang electrical insulator na maaaring polarized ng isang ipinapatupad na electric field. Ito ang nangangahulugan na kapag isinama ang materyal na dielectric sa isang electric field, hindi ito pinapayagan ang mga electric charges na lumampas dito, ngunit sa halip, ito ay align ang kanyang internal na electric dipoles (pares ng magkabaligtad na charges) sa direksyon ng field. Ang alignment na ito ay bawas sa kabuuang electric field sa loob ng materyal na dielectric at nagdudulot ng pagtaas ng capacitance ng isang capacitor na gumagamit nito.
Kung paano gumagana ang mga materyal na dielectric
Para maintindihan kung paano gumagana ang mga materyal na dielectric, kailangan nating malaman ang ilang pangunahing konsepto ng electromagnetism.
Ang isang electric field ay isang rehiyon ng espasyo kung saan isang electric charge nakakaranas ng puwersa. Ang direksyon ng electric field ay ang direksyon ng puwersa sa isang positibong charge, at ang laki ng electric field ay proporsyonal sa lakas ng puwersa. Ang mga electric fields ay nilikha ng mga electric charges o nagbabago na magnetic fields.
Electric polarization
Ang electric polarization ay ang paghihiwalay ng positibong at negatibong charges sa loob ng isang materyal dahil sa panlabas na electric field. Kapag polarized ang isang materyal, ito ay bumubuo ng electric dipole moment, na isang sukat kung gaano karami ang charges na nahihati at kung paano sila aligned. Ang electric dipole moment ng isang materyal ay proporsyonal sa kanyang electric susceptibility, na isang sukat kung gaano kabilis ito maaaring polarized.
Capacitance
Ang capacitance ay ang kakayahan ng isang sistema na imumok ng electric charge. Ang isang capacitor ay isang aparato na binubuo ng dalawang conductors (plates) na hiwalay ng isang insulator (dielectric). Kapag isinama ang isang voltage sa pagitan ng plates, ginagawa ito ng electric field sa pagitan ng kanila, at ang mga charges ay sumusunod sa bawat plate. Ang capacitance ng isang capacitor ay proporsyonal sa area ng plates, inversely proportional sa distansya sa pagitan ng kanila, at directly proportional sa dielectric constant ng insulator.
Mga katangian ng mga materyal na dielectric
Ang ilang mahalagang katangian ng mga materyal na dielectric ay:
Dielectric constant: Ito ay isang dimensionless na quantity na nagpapahiwatig kung gaano karami ang isang materyal na nagpapataas ng capacitance ng isang capacitor kumpara sa vacuum. Ito rin ay tinatawag na relative permittivity o permittivity ratio. Ang dielectric constant ng vacuum ay 1, at ang dielectric constant ng hangin ay humigit-kumulang 1.0006. Ang mga materyal na may mataas na dielectric constants kasama ang tubig (humigit-kumulang 80), barium titanate (humigit-kumulang 1200), at strontium titanate (humigit-kumulang 2000).
Dielectric strength: Ito ang pinakamataas na electric field na maaaring tustos ng isang materyal nang hindi ito bumagsak o naging conductive. Ito ay sukat sa volts per meter (V/m) o kilovolts per millimeter (kV/mm). Ang dielectric strength ng hangin ay humigit-kumulang 3 MV/m, at ang dielectric strength ng glass ay humigit-kumulang 10 MV/m.
Dielectric loss: Ito ang halaga ng enerhiyang dissipated bilang init kapag isinama ang alternating electric field sa isang materyal. Ito ay sukat gamit ang loss tangent o dissipation factor, na ang ratio ng imaginary part sa real part ng complex permittivity. Ang dielectric loss ay depende sa frequency at temperature ng electric field, pati na rin ang structure at purity ng materyal. Ang mga materyal na may mababang dielectric loss ay kinakailangan para sa mga aplikasyon na nangangailangan ng mataas na efficiency at mababang init.
Mga uri at halimbawa ng mga materyal na dielectric
Maaaring ikategorya ang mga materyal na dielectric sa iba't ibang uri batay sa kanilang molecular structure at polarization mechanism. Ang ilang karaniwang uri at halimbawa ay:
Vacuum: Ito ang absence ng matter at kaya walang polarization. Ito ay may dielectric constant na 1 at walang dielectric loss.
Gases: Ang ito ay binubuo ng atoms o molecules na loosely bound at maaaring galawin nang libre. Ito ay may mababang dielectric constants (malapit sa 1) at mababang dielectric losses. Ang mga halimbawa ay air, nitrogen, helium, at sulfur hexafluoride.
Liquids: Ang ito ay binubuo ng molecules na mas tightly bound kaysa sa gases pero maaari pa ring galawin. Ito ay may mas mataas na dielectric constants kaysa sa gases (ranging mula 2 hanggang 80) at mas mataas na dielectric losses. Ang mga halimbawa ay water, transformer oil, ethanol, at glycerol.
Solids: Ang ito ay binubuo ng atoms o molecules na strongly bound sa fixed positions. Ito ay may mas mataas na dielectric constants kaysa sa liquids (ranging mula 3 hanggang 2000) at mas mataas na dielectric losses. Ang mga halimbawa ay glass, ceramics, plastics, rubber, paper, mica, at quartz.
Mga aplikasyon ng mga materyal na dielectric
Ang mga materyal na dielectric ay may maraming aplikasyon sa iba't ibang larangan ng agham at engineering. Ang ilang halimbawa ay:
Capacitors: Ang ito ay mga aparato na imumok ng electric charge at energy sa pamamagitan ng paggamit ng mga materyal na dielectric sa pagitan ng dalawang conductor. Ang mga capacitors ay ginagamit para sa filtering, smoothing, timing, coupling, decoupling, tuning, sensing, at power conversion sa mga electronic circuits.
Insulators: Ang ito ay mga materyal na nagpapahinto ng electric current mula sa paggalaw sa kanila sa pamamagitan ng kanilang mataas na resistance at mataas na dielectric strength. Ang mga insulators ay ginagamit para sa pagprotekta, paghihiwalay, pagsuporta, at paghihiwalay ng mga electrical components at wires.
Transducers: Ang ito ay mga aparato na nagcoconvert ng isang anyo ng enerhiya sa isa pa sa pamamagitan ng paggamit ng mga materyal na dielectric na nagpapakita ng piezoelectricity o electrostriction. Ang piezoelectricity ay ang katangian ng ilang materyal na bumubuo ng electric voltage kapag inilapat ang mechanical stress o vice versa. Ang electrostriction ay ang katangian ng ilang materyal na nagbabago ang kanilang hugis o laki kapag inilapat ang electric field o vice versa. Ang mga transducers ay ginagamit para sa pagbuo, pagdetect, pagsukat, at pagcontrol ng sound waves, ultrasound waves, vibrations, pressure, force, displacement, temperature, etc.
Photonic devices: Ang ito ay mga aparato na manipulates ang light waves sa pamamagitan ng paggamit ng mga materyal na dielectric na nagpapakita ng optical properties tulad ng refraction, reflection, absorption, scattering, dispersion, birefringence, etc. Ang mga photonic devices ay ginagamit para sa pagtransmit, pagreceive, pagmodulate, pagswitch, pagfilter, pagamplify, pag-split, pagcombine, pagstore, pagprocess, pagdisplay, pagimage, pagdetect, etc., at light signals.
