JAKA JEST STAŁA DIELEKTRYCZNA? - FIZYCZNY - 2025

Stała dielektryczna ma wartość związana z materiału, który jest umieszczony pomiędzy płytami kondensatora (lub kondensator - Figura 1), oraz że umożliwia optymalizację i zwiększa swoją funkcję. (Giancoli, 2006). Dielektryk jest synonimem izolatora elektrycznego, to znaczy są to materiały, które nie pozwalają na przepływ prądu elektrycznego.

Wartość ta jest ważna z wielu względów, ponieważ w naszych domach, przestrzeniach rekreacyjnych, placówkach edukacyjnych czy na stanowiskach pracy każdy używa sprzętu elektrycznego i elektronicznego, ale z pewnością nie zdajemy sobie sprawy ze skomplikowanych procesów, jakie zachodzą w tym sprzęcie, aby funkcjonować.

Rysunek 1: Różne typy kondensatorów.

Na przykład nasze minikomponenty, telewizory i urządzenia multimedialne wykorzystują do swoich funkcji prąd stały, ale prądy domowe i przemysłowe docierające do naszych domów i miejsc pracy są prądami przemiennymi. Jak to jest możliwe?.

Rysunek 2: Obwód elektryczny sprzętu domowego

Odpowiedź na to pytanie dotyczy tego samego sprzętu elektrycznego i elektronicznego: kondensatorów (lub kondensatorów). Elementy te pozwalają między innymi na umożliwienie prostowania prądu przemiennego na prąd stały, a ich funkcjonalność zależy od geometrii lub kształtu kondensatora oraz zastosowanego w jego konstrukcji materiału dielektrycznego.

Materiały dielektryczne odgrywają ważną rolę, ponieważ pozwalają płytkom, które tworzą kondensator, być bardzo blisko, bez dotykania i całkowicie pokrywają przestrzeń między wspomnianymi płytami materiałem dielektrycznym, aby zwiększyć funkcjonalność kondensatorów.

Pochodzenie stałej dielektrycznej: kondensatory i materiały dielektryczne

Wartość tej stałej jest wynikiem eksperymentalnym, to znaczy pochodzi z eksperymentów przeprowadzonych z różnymi typami materiałów izolacyjnych i skutkujących tym samym zjawiskiem: zwiększoną funkcjonalnością lub sprawnością kondensatora.

Kondensatory są powiązane z wielkością fizyczną zwaną pojemnością „C”, która definiuje ilość ładunku elektrycznego „Q”, jaki kondensator może przechowywać, dostarczając pewną różnicę potencjałów „ΔV” (Równanie 1).

(Równanie 1)

Eksperymenty wykazały, że poprzez całkowite pokrycie przestrzeni między płytkami kondensatora materiałem dielektrycznym, kondensatory zwiększają swoją pojemność o współczynnik κ, zwany „stałą dielektryczną”. (Równanie 2).

(Równanie 2)

Ilustracja płaskiego, równoległego kondensatora o pojemności C, naładowanego, a co za tym idzie, z jednorodnym polem elektrycznym skierowanym w dół między jego płytkami pokazano na rysunku 3.

U góry rysunku znajduje się kondensator z próżnią między płytami (podciśnienie - przenikalność ∊0). Następnie u dołu przedstawiono ten sam kondensator o pojemności C '> C, z dielektrykiem między jego płytami (o przenikalności ∊).

Rysunek 3: Kondensator płytkowy równoległy planowo bez dielektryka iz dielektrykiem.

Figueroa (2005) wymienia trzy funkcje materiałów dielektrycznych w kondensatorach:

1. Umożliwiają sztywną i zwartą konstrukcję z niewielką szczeliną między płytami przewodzącymi.
2. Pozwalają na przyłożenie wyższego napięcia bez powodowania wyładowania (przebijające pole elektryczne jest większe niż w powietrzu)
3. Zwiększa pojemność kondensatora o współczynnik κ znany jako stała dielektryczna materiału.

Tym samym autor wskazuje, że κ „nazywamy stałą dielektryczną materiału i mierzy reakcję jego dipoli molekularnych na zewnętrzne pole magnetyczne”. Oznacza to, że stała dielektryczna jest tym wyższa, im wyższa jest biegunowość cząsteczek materiału.

Atomowe modele dielektryków

Ogólnie materiały mają określone układy molekularne, które zależą od samych cząsteczek i pierwiastków, z których się składają w każdym materiale. Wśród układów molekularnych, które wpływają na procesy dielektryczne, są tak zwane „cząsteczki polarne” lub spolaryzowane.

W cząsteczkach polarnych istnieje separacja między środkowym położeniem ładunków ujemnych a środkowym położeniem ładunków dodatnich, co powoduje, że mają one bieguny elektryczne.

Na przykład cząsteczka wody (rysunek 4) jest trwale spolaryzowana, ponieważ środek dodatniego rozkładu ładunku znajduje się w połowie odległości między atomami wodoru. (Serway i Jewett, 2005).

Rysunek 4: Rozkład cząsteczek wody.

O ile w cząsteczce BeH2 (wodorek berylu - ryc. 5), czyli cząsteczce liniowej, nie zachodzi polaryzacja, gdyż środek rozkładu ładunków dodatnich (wodorów) znajduje się w centrum rozkładu ładunków ujemnych (beryl) , anulując ewentualną polaryzację. To jest niepolarna cząsteczka.

Rysunek 5: Rozkład cząsteczki wodorku berylu.

W tym samym duchu, gdy materiał dielektryczny znajduje się w obecności pola elektrycznego E, cząsteczki ustawią się w linii w funkcji pola elektrycznego, powodując gęstość ładunku powierzchniowego na powierzchniach dielektryka, które są zwrócone w stronę płytek kondensatora.

Z powodu tego zjawiska pole elektryczne wewnątrz dielektryka jest mniejsze niż zewnętrzne pole elektryczne generowane przez kondensator. Poniższa ilustracja (Rysunek 6) przedstawia elektrycznie spolaryzowany dielektryk w płasko-równoległym kondensatorze płytkowym.

Należy zauważyć, że zjawisko to występuje łatwiej w materiałach polarnych niż niepolarnych, ze względu na istnienie spolaryzowanych cząsteczek, które oddziałują skuteczniej w obecności pola elektrycznego. Chociaż sama obecność pola elektrycznego powoduje polaryzację niepolarnych cząsteczek, powodując to samo zjawisko, co w przypadku materiałów polarnych.

Rysunek 6: Modele spolaryzowanych cząsteczek dielektryka pod wpływem pola elektrycznego powstającego w naładowanym kondensatorze.

Wartości stałych dielektrycznych w niektórych materiałach

W zależności od funkcjonalności, ekonomiczności i ostatecznej użyteczności kondensatorów, stosuje się różne materiały izolacyjne, aby zoptymalizować ich działanie.

Materiały takie jak papier są bardzo tanie, chociaż mogą ulec zniszczeniu w wysokich temperaturach lub w kontakcie z wodą. Chociaż guma jest wciąż plastyczna, ale bardziej odporna. Mamy również porcelanę, która jest odporna na wysokie temperatury, chociaż nie może dostosowywać się do różnych kształtów według potrzeb.

Poniżej znajduje się tabela, w której określono stałą dielektryczną niektórych materiałów, przy czym stałe dielektryczne nie mają jednostek (są bezwymiarowe):

Tabela 1: Stałe dielektryczne niektórych materiałów w temperaturze pokojowej.

Wybrane zastosowania materiałów dielektrycznych

Materiały dielektryczne są ważne w społeczeństwie globalnym i mają szeroki zakres zastosowań, od komunikacji naziemnej i satelitarnej, w tym oprogramowania radiowego, GPS, monitorowania środowiska poprzez satelity. (Sebastian, 2010)

Ponadto Fiedziuszko i in. (2002) opisują znaczenie materiałów dielektrycznych dla rozwoju technologii bezprzewodowej, w tym telefonii komórkowej. W swojej publikacji opisują znaczenie tego typu materiałów w miniaturyzacji sprzętu.

W tym porządku pomysłów nowoczesność wygenerowała duże zapotrzebowanie na materiały o wysokich i niskich stałych dielektrycznych dla rozwoju technologicznego życia. Materiały te są niezbędnymi komponentami urządzeń internetowych z punktu widzenia funkcji przechowywania danych, komunikacji i wydajności transmisji danych. (Nalwa, 1999).

Bibliografia

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Materiały, urządzenia i obwody dielektryczne. Transakcje IEEE dotyczące teorii i technik mikrofalowych, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Interakcja elektryczna. Caracas, Wenezuela: Miguel Angel García and Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FIZYCZNY. Począwszy od aplikacji. Meksyk: EDUKCJA PEARSON.
4. Nalwa, HS (red.). (1999). Podręcznik materiałów o małej i wysokiej stałej dielektrycznej i ich zastosowaniach, zestaw dwukomorowy. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Materiały dielektryczne do komunikacji bezprzewodowej. Elsevier.
6. Serway, R. i Jewett, J. (2005). Fizyka dla nauki i inżynierii. Meksyk: International Thomson Editores.