Діелектричні матеріали: Визначення, властивості та застосування
Діелектричний матеріал визначається як електричний ізолятор, який може бути поляризований застосованим електричним полем. Це означає, що коли діелектричний матеріал розташований у електричному полі, він не дозволяє електричним зарядам протікати через нього, а замість цього вирівнює свої внутрішні електричні диполі (пари протилежних зарядів) в напрямку поля. Це вирівнювання зменшує загальне електричне поле всередині діелектричного матеріалу та збільшує ємність конденсатора, який його використовує.
Як працюють діелектричні матеріали?
Щоб зрозуміти, як працюють діелектричні матеріали, нам потрібно знати деякі основні поняття електромагнетизму.
Електричне поле — це область простору, де електричний заряд діє на силу. Напрямок електричного поля — це напрямок сили на позитивний заряд, а величина електричного поля пропорційна сили. Електричні поля створюються електричними зарядами або змінними магнітними полями.
Електрична поляризація
Електрична поляризація — це розділення позитивних та негативних зарядів всередині матеріалу через зовнішнє електричне поле. Коли матеріал поляризується, він розвиває електричний дипольний момент, який є мірою того, наскільки заряди розділені та як вони вирівняні. Електричний дипольний момент матеріалу пропорційний його електричній підданості, яка є мірою того, наскільки легко його можна поляризувати.
Ємність
Ємність — це здатність системи зберігати електричний заряд. Конденсатор — це пристрій, який складається з двох провідників (пліток), розділених ізолятором (діелектриком). Коли напруга прикладається до пліток, створюється електричне поле між ними, і заряди накопичуються на кожній плитці. Ємність конденсатора пропорційна площі плиток, обернено пропорційна відстані між ними та прямо пропорційна діелектричній сталі ізолятора.
Властивості діелектричних матеріалів
Некоторые важные свойства диэлектрических материалов:
Діелектрична стала: це безрозмірна величина, яка показує, наскільки матеріал збільшує ємність конденсатора порівняно з вакуумом. Її також називають відносною перміттивністю або коефіцієнтом перміттивності. Діелектрична стала вакууму дорівнює 1, а діелектрична стала повітря становить приблизно 1,0006. Матеріали з високою діелектричною сталою включають воду (приблизно 80), барієвий титанат (приблизно 1200) та стронтійовий титанат (приблизно 2000).
Діелектрична міцність: це максимальне електричне поле, яке матеріал може витримати без руйнування або переходу в провідний стан. Вона вимірюється в вольтах на метр (В/м) або кіловольтах на міліметр (кВ/мм). Діелектрична міцність повітря становить приблизно 3 МВ/м, а діелектрична міцність скла — приблизно 10 МВ/м.
Діелектричні втрати: це кількість енергії, яка розсіюється як тепло, коли до матеріалу прикладається змінне електричне поле. Вони вимірюються тангенсом діелектричних втрат або коефіцієнтом дисипації, який є співвідношенням уявної частини до реальної частини комплексної перміттивності. Діелектричні втрати залежать від частоти та температури електричного поля, а також від структури та чистоти матеріалу. Матеріали з низькими діелектричними втратами бажані для застосувань, які вимагають високої ефективності та низького нагріву.
Типи та приклади діелектричних матеріалів
Діелектричні матеріали можна класифікувати на різні типи залежно від їхньої молекулярної структури та механізму поляризації. Деякі типові приклади:
Вакуум: це відсутність речовини, тому немає поляризації. У нього діелектрична стала дорівнює 1, і немає діелектричних втрат.
Гази: це складені з атомів або молекул, які слабко зв'язані і можуть вільно рухатися. Вони мають низьку діелектричну стали (близько до 1) і низькі діелектричні втрати. Приклади включають повітря, азот, гелій та гексафторид сульфуру.
Рідини: це складені з молекул, які більш тісно зв'язані, ніж гази, але все ж можуть рухатися. Вони мають більші діелектричні сталі, ніж гази (від 2 до 80) та більші діелектричні втрати. Приклади включають воду, трансформаторне масло, етанол та глицерин.
Тверді тіла: це складені з атомів або молекул, які сильно зв'язані в фіксованих позиціях. Вони мають більші діелектричні сталі, ніж рідини (від 3 до 2000) та більші діелектричні втрати. Приклади включають скло, кераміку, пластмаси, гуму, папір, міку та кварц.
Застосування діелектричних матеріалів
Діелектричні матеріали мають багато застосувань у різних галузях науки та інженерії. Деякі приклади:
Конденсатори: це пристрої, які зберігають електричний заряд та енергію, використовуючи діелектричні матеріали між двома провідниками. Конденсатори використовуються для фільтрації, згладжування, таймерів, з'єднання, роз'єднання, налаштування, вимірювання та перетворення енергії в електронних схемах.
Ізолятори: це матеріали, які запобігають протіканню електричного струму через них, використовуючи свою високу опір та високу діелектричну міцність. Ізолятори використовуються для захисту, ізоляції, підтримки та розділення електричних компонентів та дротів.
Перетворювачі: це пристрої, які перетворюють одну форму енергії на іншу, використовуючи діелектричні матеріали, які демонструють
