Dielektrik Malzemeler: Tanım Özellikler ve Uygulamalar
Dielektrik malzemeler, uygulanan elektrik alan ile polarize edilebilen elektrik yalıtıcıları olarak tanımlanır. Bu, bir dielektrik malzeme bir elektrik alanında yerleştirildiğinde, elektrik yüklerinin içinden geçmesine izin vermeyip, onun yerine dahili elektrik dipollarının (zıt yük çiftleri) alan yönünde hizalandığı anlamına gelir. Bu hizalanma, dielektrik malzemenin içindeki genel elektrik alanını azaltır ve kullanılanda bir kapasitörün kapasitesini artırır.
Dielektrik malzemeler nasıl çalışır?
Dielektrik malzemelerin nasıl çalıştığını anlamak için elektromanyetizmaya dair bazı temel kavramları bilmeliyiz.
Elektrik alanı, bir elektrik yükünün bir kuvvet deneyim ettiği bir uzay bölgesidir. Elektrik alanın yönü, pozitif bir yük üzerindeki kuvvetin yönüdür ve elektrik alanın büyüklüğü kuvvetin gücünün orantılıdır. Elektrik alanlar, elektrik yükleri veya değişen manyetik alanlar tarafından oluşturulur.
Elektriksel polarizasyon
Elektriksel polarizasyon, bir malzemenin dışarıdan gelen bir elektrik alan nedeniyle pozitif ve negatif yüklerinin ayrılmasıdır. Bir malzeme polarize olduğunda, elektrik dipol anı oluşturur. Bu, yüklerin ne kadar ayrıldığının ve nasıl hizalandığının ölçüsüdür. Bir malzemenin elektrik dipol anı, elektrik kabul edilebilirliği ile orantılıdır, bu da kolaylıkla polarize edilebilirliğini ölçer.
Kapasitans
Kapasitans, bir sistemin elektrik yükünü depolama yeteneğidir. Bir kapasitör, iki iletken (plaka) arasında bir yalıtıcı (dielektrik) olan cihazdır. Bir gerilim plakalar arasında uygulandığında, plakalar arasında bir elektrik alan oluşur ve her plakada yükler birikir. Bir kapasitörün kapasitansı, plakaların alanıyla orantılı, aralarındaki mesafeyle ters orantılı ve yalıtıcının dielektrik sabitiyle orantılıdır.
Dielektrik malzemelerin özellikleri
Dielektrik malzemelerin bazı önemli özellikleri şunlardır:
Dielektrik sabit: Bu, bir malzemenin bir vakuma kıyasla bir kapasitörün kapasitansını ne kadar artırdığını gösteren boyutsuz bir niceliktir. Ayrıca göreceli permütivite veya permütivite oranı olarak da adlandırılır. Vakumun dielektrik sabiti 1'dir ve havanın dielektrik sabiti yaklaşık 1,0006'dır. Yüksek dielektrik sabitlere sahip malzemeler arasında su (yaklaşık 80), barium titanat (yaklaşık 1200) ve stronsiyum titanat (yaklaşık 2000) bulunur.
Dielektrik dayanım: Bu, bir malzemenin parçalanmadan veya iletken olmadan dayanabileceği maksimum elektrik alanıdır. Volt/metre (V/m) veya kilovolt/milimetre (kV/mm) cinsinden ölçülür. Havanın dielektrik dayanımı yaklaşık 3 MV/m'dir ve camın dielektrik dayanımı yaklaşık 10 MV/m'dir.
Dielektrik kayıp: Bu, bir malzemeye alternatif bir elektrik alan uygulandığında ısı olarak dağılan enerji miktarıdır. kayıp tanjant veya dağılım faktörü ile ölçülür, bu da kompleks permütivitenin sanal kısmının gerçek kısmına oranıdır. Dielektrik kayıp, elektrik alanın frekansı ve sıcaklığı, malzemenin yapısı ve saflığına bağlıdır. Düşük dielektrik kayıp, yüksek verimlilik ve düşük ısıtma gerektiren uygulamalar için istenen malzemelerdir.
Dielektrik malzemelerin türleri ve örnekleri
Dielektrik malzemeler, moleküler yapılarına ve polarizasyon mekanizmalarına göre farklı türler halinde sınıflandırılabilir. Bazı yaygın türler ve örnekleri şunlardır:
Vakum: Bu, madde olmaması nedeniyle herhangi bir polarizasyona sahip değildir. Dielektrik sabiti 1'dir ve dielektrik kaybı yoktur.
Gazlar: Bunlar, gevşek bağlanmış ve özgürce hareket edebilen atomlar veya moleküllerden oluşur. Düşük dielektrik sabitleri (1'e yakın) ve düşük dielektrik kayıpları vardır. Örnekler arasında hava, azot, helyum ve sülfür heksaflorür bulunmaktadır.
Sıvılar: Bunlar, gazlardan daha sıkı bağlanmış ancak hala etrafında dolaşabilen moleküllerden oluşur. Gazlardan daha yüksek dielektrik sabitlerine (2 ila 80 arasında) ve daha yüksek dielektrik kayıplarına sahiptir. Örnekler arasında su, transformator yağı, etanol ve gliserol bulunmaktadır.
Katılar: Bunlar, sabit pozisyonlarda güçlü bağlanan atomlar veya moleküllerden oluşur. Sıvılardan daha yüksek dielektrik sabitlere (3 ila 2000 arasında) ve daha yüksek dielektrik kayıplara sahiptir. Örnekler arasında cam, seramik, plastik, lastik, kağıt, mika ve kuvars bulunur.
Dielektrik malzemelerin uygulamaları
Dielektrik malzemeler, bilim ve mühendislik alanlarındaki çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Bazı örnekler şunlardır:
Kapasitörler: Bu, iki iletken arasında dielektrik malzemeler kullanarak elektrik yükünü ve enerjisini depolayan cihazlardır. Kapasitörler, elektronik devrelerde filtreleme, yumuşatma, zamanlama, bağlantı, decoupling, ayarlama, algılama ve güç dönüşümü için kullanılır.
Yalıtıcılar: Bu, yüksek direnç ve yüksek dielektrik dayanım kullanarak elektrik akımının içinden geçmesini önleyen malzemelerdir. Yalıtıcılar, koruma, izolasyon, destek ve elektrik bileşenleri ve tel çaprazlaması için kullanılır.
Transdüserler: Bu, piezoelektrik veya electrostriction özelliklerini gösteren dielektrik malzemeler kullanarak bir enerji formunu başka bir forma dönüştüren cihazlardır. Piezoelektrik, bazı malzemelerin mekanik stres uygulandığında veya tam tersi durumda elektrik gerilimi üretme özelliğidir. Electrostriction, bazı malzemelerin bir elektrik alan uygulandığında veya tam tersi durumda şeklini veya boyutlarını değiştirmesi özelliğidir. Transdüserler, ses dalgaları, ultrason dalgaları, titreşim, basınç, kuvvet, yer değiştirme, sıcaklık vb. oluşturmak, algılamak, ölçmek ve kontrol etmek için kullanılır.
Fotonik cihazlar: Bu, refraksiyon, yansıma, absorpsiyon, saçılma, dağılım, ikirefraktiflik vb. optik özellikler gösteren dielektrik malzemeler kullanarak ışık dalgalarını manipüle eden cihazlardır. Fotonik cihazlar, ışık sinyallerini iletim, alım, modülasyon, anahtarlama, filtreleme, amplifikasyon, bölme, birleştirme, depolama, işleme, görüntüleme, görüntü alma, algılama vb. işlemleri için kullanılır.
Bellek cihaz
