Materialele sunt clasificate ca conductoare, izolatoare și semiconductori pe baza proprietăților lor de conducere electrică. Fiecare material este alcătuit din molecule care la rândul lor sunt alcătuite din atomi. Când sunt supuși câmpului electric, acești atomi din material suferă anumite deplasări și modificări ale proprietăților. În octombrie 1745, un experiment făcut de Ewald Georg von Kleist din Germania prin conectarea unui generator electrostatic de înaltă tensiune la un volum de apă colectat într-un borcan de mână folosind un fir a arătat că încărcarea poate fi stocată. Folosind acest fenomen, Pieter van Musschenbroek a inventat primul condensator numit „Leyden Jar”. Noua proprietate materială care a susținut această invenție a fost „Dielectric”.
Ce este Dielectricul?
Fiecare material este format din atomi. Atomii conțin atât particule încărcate negativ, cât și pozitiv. Nucleul central al atomului este încărcat pozitiv. În orice material, atomii sunt aranjați ca dipoli reprezentat cu o sarcină pozitivă și negativă la capătul său. Când aceste materiale sunt supuse câmpului electric are loc momentul dipol.
Un material conductor începe să conducă când se aplică electricitate. Un izolator se opune fluxului de electricitate deoarece nu are în structură electroni în mișcare liberă. Dielectricul este însă un tip special de izolator care nu conduce electricitatea, dar se polarizează atunci când este supus la electricitate.
Polarizarea în dielectric
În materialele dielectrice, atunci când sunt supuse câmpului electric, sarcinile pozitive prezente în material sunt deplasate în direcția câmpului electric aplicat. Sarcinile negative sunt deplasate în direcția opusă câmpului electric aplicat. Acest lucru duce la polarizarea dielectrică. În materialul dielectric, sarcinile electrice nu curg prin material. Polarizarea reduce câmpul general al dielectricului.
Proprietățile dielectricului
Termenul dielectric a fost introdus pentru prima dată de William Whewell. Este combinația a două cuvinte - „Dia” și „electric”. Conductivitatea electrică a unui dielectric perfect este zero. Un dielectric stochează și disipă energia electrică similar cu un condensator ideal. Unele dintre principalele proprietăți ale unui material dielectric sunt susceptibilitatea electrică, polarizarea dielectrică, dispersia dielectrică, relaxarea dielectrică, tunabilitatea etc.
Susceptibilitatea electrică
Cât de ușor poate fi polarizat un material dielectric atunci când este supus unui câmp electric se măsoară prin susceptibilitatea electrică. Această cantitate determină, de asemenea, permeabilitatea electrică a materialului.
Polarizarea dielectrică
Un moment dipol electric este o măsură de separare a sarcinii negative și pozitive în sistem. Relația dintre momentul dipol (M) și câmpul electric (E) dă naștere proprietăților dielectrice. Când câmpul electric aplicat este îndepărtat atomul revine la starea sa inițială. Acest lucru se întâmplă într-o manieră exponențială. Timpul necesar atomului pentru a ajunge la starea inițială este cunoscut sub numele de timp de relaxare.
Polarizarea totală
Există doi factori care decid polarizarea dielectricului. Ele sunt formarea momentului dipolar și orientarea lor față de câmpul electric. Pe baza tipului de dipol elementar poate exista polarizare electronică sau polarizare ionică. Polarizarea electronică Pesteapare atunci când moleculele dielectrice care formează momentul dipol sunt compuse din particule neutre.
Polarizarea ionică Peupolarizarea electronică și ambele sunt independente de temperatură. Momentele dipolare permanente sunt produse în molecule atunci când există o distribuție asimetrică a sarcinii între diferiți atomi. În astfel de cazuri, polarizarea orientativă Psaueste observat. Dacă există o sarcină liberă în materialul dielectric, aceasta ar duce la polarizarea sarcinii spațiale Ps. Polarizarea totală a dielectricului implică toate aceste mecanisme. Astfel polarizarea totală a materialului dielectric este
PTotal= Peu+ Peste+ Psau+ Ps
Dispersia dielectrică
Când P este polarizarea maximă atinsă de dielectric, treste timpul de relaxare pentru un anumit proces de polarizare, procesul de polarizare dielectrică poate fi exprimat ca
P (t) = P [1-exp (-t / tr)]]
Timpul de relaxare variază pentru diferite procese de polarizare. Polarizarea electronică este foarte rapidă urmată de polarizarea ionică. Polarizarea de orientare este mai lentă decât polarizarea ionică. Polarizarea încărcării spațiale este foarte lentă.
Defalcare dielectrică
Când se aplică câmpuri electrice superioare, izolatorul începe să conducă și se comportă ca un conductor. În astfel de condiții, materialele dielectrice își pierd proprietățile dielectrice. Acest fenomen este cunoscut sub numele de Defalcare Dielectrică. Este un proces ireversibil. Acest lucru duce la eșecul materialelor dielectrice.
Tipuri de materiale dielectrice
Dielectricele sunt clasificate pe baza tipului de moleculă prezentă în material. Există două tipuri de dielectrici - dielectrici polari și dielectrici nepolari.
Dielectrice polare
În dielectricii polari, centrul de masă al particulelor pozitive nu coincide cu centrul de masă al particulelor negative. Aici există momentul dipol. Moleculele au o formă asimetrică. Când se aplică câmpul electric, moleculele se aliniază cu câmpul electric. Când câmpul electric este eliminat, se observă momentul dipolar aleatoriu, iar momentul dipol net din molecule devine zero. Exemple sunt H2O, CO2, etc ...
Dielectrici non-polari
În dielectricele nepolare, centrul de masă al particulelor pozitive și al particulelor negative coincide. Nu există moment dipol în aceste molecule. Aceste molecule au o formă simetrică. Exemple de dielectrici nepolari sunt H2, N2, O2 etc.
Exemple de material dielectric
Materialele dielectrice pot fi solide, lichide, gaze și vid. Dielectricii solizi sunt foarte folosiți în ingineria electrică. Câteva exemple de dielectric vândute sunt porțelanul, ceramica, sticla, hârtia etc. Aerul uscat, azotul, hexafluorura de sulf și oxizii diferitelor metale sunt exemple de dielectrici gazoși. Apa distilată, uleiul de transformare sunt exemple obișnuite de dielectric lichid.
Aplicații ale materialului dielectric
Unele dintre aplicațiile dielectrice sunt după cum urmează-
- Acestea sunt utilizate pentru stocarea energiei în condensatoare .
- Pentru a spori performanța unui dispozitiv semiconductor, se utilizează materiale dielectrice cu permitivitate ridicată.
- Dielectricele sunt utilizate în Afișaje cu cristale lichide.
- Dielectricul ceramic este utilizat în oscilatorul rezonatorului dielectric.
- Filmele subțiri de titanat de bariu stronțiu sunt dielectrice care sunt utilizate în dispozitivele reglabile cu microunde, oferind o tunabilitate ridicată și un curent scăzut de scurgere.
- Paralenul este utilizat în acoperirile industriale acționează ca o barieră între substrat și mediul extern.
- În electricitate transformatoare , uleiurile minerale sunt utilizate ca dielectric lichid și ajută la procesul de răcire.
- Uleiul de ricin este utilizat în condensatoarele de înaltă tensiune pentru a-și crește valoarea capacității.
- Electrets, un material dielectric special prelucrat acționează ca echivalent electrostatic al magneților.
Întrebări frecvente
1). La ce folosește dielectricul în condensatoare?
Dielectricele utilizate în condensator ajută la scăderea câmpului electric, care la rândul său scade tensiunea, crescând astfel capacitatea.
2). Ce material dielectric este utilizat pe scară largă în condensatoare?
În condensatori, materialele dielectrice precum sticla, ceramica, aerul, mica, hârtia, folia de plastic sunt utilizate pe scară largă.
3). Ce material are cea mai mare rezistență dielectrică?
Se observă că un vid perfect are cea mai mare rezistență dielectrică.
4). Toate izolatoarele sunt dielectrice?
Nu, deși dielectricii se comportă ca izolatori, nu toți izolatorii sunt dielectrici.
Astfel, dielectricii formează o parte importantă a condensatoarelor. Un material dielectric bun ar trebui să aibă o constantă dielectrică bună, rezistență dielectrică, factor de pierdere scăzut, stabilitate la temperatură ridicată, stabilitate ridicată la stocare, răspuns de frecvență bun și ar trebui să fie modificabil la procesele industriale. Dielectricele joacă, de asemenea, un rol vital în circuitele electronice de înaltă frecvență. Măsurarea proprietăților dielectrice a materialului oferă informații despre caracteristicile sale electrice sau magnetice. Ce este o constantă dielectrică?
