Материалите са категоризирани като проводници, изолатори и полупроводници въз основа на техните електропроводими свойства. Всеки материал се състои от молекули, които от своя страна се състоят от атоми. Когато са подложени на електрическо поле, тези атоми в материала претърпяват определени измествания и промени в свойствата. През октомври 1745 г. експеримент, направен от Евалд Георг фон Клайст от Германия чрез свързване на електростатичен генератор с високо напрежение към обем вода, събрана в ръчен буркан с помощта на тел, показва, че зарядът може да се съхранява. Използвайки този феномен, Питер ван Мусхенбрук изобретява първия кондензатор, наречен „Leyden Jar“. Новото материално свойство, което подкрепи това изобретение, беше „Диелектрик“.
Какво е диелектрикът?
Всеки материал се състои от атоми. Атомите съдържат както отрицателно, така и положително заредени частици. Централното ядро на атома е положително заредено. Във всеки материал атомите са подредени като диполи представен с положителен и отрицателен заряд в края си. Когато тези материали са подложени на електрическо поле настъпва диполен момент.
Материалът на проводника започва да се провежда, когато се прилага електричество. Изолаторът се противопоставя на потока от електричество, тъй като в структурата му няма свободно движещи се електрони. Но Dielectric е специален тип изолатор, който не провежда електричество, но се поляризира, когато е подложен на електричество.
Поляризация в диелектрик
В диелектричните материали, когато са подложени на електрическото поле, положителните заряди, присъстващи в материала, се изместват по посока на приложеното електрическо поле. Отрицателните заряди се изместват в посока, обратна на приложеното електрическо поле. Това води до диелектрична поляризация. В диелектричния материал през материала не протичат електрически заряди. Поляризацията намалява общото поле на диелектрика.
Свойства на диелектрика
Терминът диелектрик е въведен за първи път от Уилям Ууел. Това е комбинацията от две думи - „Dia“ и „electric“. Електрическата проводимост на перфектния диелектрик е нула. Диелектрикът съхранява и разсейва електрическата енергия, подобна на идеалния кондензатор. Някои от основните свойства на диелектричния материал са електрическа чувствителност, диелектрична поляризация, диелектрична дисперсия, диелектрична релаксация, настройваемост и др ...
Електрическа чувствителност
Колко лесно диелектричният материал може да бъде поляризиран, когато е подложен на електрическо поле, се измерва от електрическата податливост. Това количество определя и електрическата пропускливост на материала.
Диелектрична поляризация
Електрически диполен момент е мярка за разделяне на отрицателния и положителния заряд в системата. Връзката между диполния момент (M) и електрическото поле (E) поражда свойствата на диелектрика. Когато приложеното електрическо поле бъде премахнато, атомът се връща в първоначалното си състояние. Това се случва по експоненциален начин на затихване. Времето, необходимо на атома да достигне първоначалното си състояние, е известно като време на релаксация.
Обща поляризация
Има два фактора, които определят поляризацията на диелектрика. Те са образуването на диполен момент и тяхната ориентация спрямо електрическото поле. Въз основа на елементарния диполен тип може да има електронна поляризация или йонна поляризация. Електронна поляризация Pевъзниква, когато диелектричните молекули, образуващи диполния момент, са съставени от неутрални частици.
Йонна поляризация Piи електронната поляризация и двете са независими от температурата. Постоянните диполни моменти се получават в молекулите, когато има асиметрично разпределение на заряда между различните атоми. В такива случаи ориентационната поляризация Pилисе наблюдава. Ако в диелектричния материал присъства свободен заряд, това би довело до поляризация на космическия заряд Pс. Общата поляризация на диелектрика включва всички тези механизми. По този начин общата поляризация на диелектричния материал е
PОбща сума= Рi+ Pе+ Pили+ Pс
Диелектрична дисперсия
Когато P е максималната поляризация, постигната от диелектрика, trе времето на релаксация за определен процес на поляризация, диелектричният поляризационен процес може да бъде изразен като
P (t) = P [1-exp (-t / tr)]]
Времето за релаксация варира за различните поляризационни процеси. Електронната поляризация е много бърза, последвана от йонна поляризация. Ориентационната поляризация е по-бавна от йонната поляризация. Поляризацията на космическия заряд е много бавна.
Диелектрична разбивка
Когато се прилагат по-високи електрически полета, изолаторът започва да провежда и се държи като проводник. При такива условия диелектричните материали губят диелектричните си свойства. Това явление е известно като диелектричен пробив. Това е необратим процес. Това води до отказ на диелектрични материали.
Видове диелектрични материали
Диелектриците са категоризирани въз основа на типа молекула, присъстваща в материала. Има два вида диелектрици - полярни диелектрици и неполярни диелектрици.
Полярни диелектрици
В полярните диелектрици центърът на масата на положителните частици не съвпада с центъра на масата на отрицателните частици. Тук съществува диполният момент. Молекулите са с асиметрична форма. Когато се прилага електрическото поле, молекулите се подравняват с електрическото поле. Когато се премахне електрическото поле, се наблюдава случаен диполен момент и нетният диполен момент в молекулите става нула. Примери са H2O, CO2 и т.н. ...
Неполярни диелектрици
В неполярните диелектрици центърът на масата на положителните и отрицателните частици съвпада. В тези молекули няма диполен момент. Тези молекули имат симетрична форма. Примери за неполярни диелектрици са H2, N2, O2 и др ...
Примери за диелектричен материал
Диелектричните материали могат да бъдат твърди вещества, течности, газове и вакуум. Твърдите диелектрици се използват широко в електротехниката. Някои примери за продавани диелектрици са порцелан, керамика, стъкло, хартия и др ... Сухият въздух, азот, сярен хексафлуорид и оксидите на различни метали са примери за газообразни диелектрици. Дестилираната вода, трансформаторното масло са често срещани примери за течни диелектрици.
Приложения на диелектричен материал
Някои от приложенията на диелектриците са както следва -
- Те се използват за съхранение на енергия в кондензатори .
- За да се подобрят характеристиките на полупроводниковото устройство, се използват диелектрични материали с висока проницаемост.
- Диелектриците се използват в Дисплеи с течни кристали.
- Керамичният диелектрик се използва в диелектричния резонаторен осцилатор.
- Тънките филми от бариев стронциев титанат са диелектрични, които се използват в регулируеми микровълнови устройства, осигуряващи висока настройваемост и нисък ток на утечка.
- Париленът се използва в индустриални покрития, действа като бариера между основата и външната среда.
- В електрически трансформатори , минералните масла се използват като течен диелектрик и подпомагат процеса на охлаждане.
- Рициновото масло се използва в кондензатори за високо напрежение, за да увеличи стойността му на капацитет.
- Електрети, специално обработен диелектричен материал, действа като електростатичен еквивалент на магнити.
Често задавани въпроси
1). Каква е ползата от диелектрика в кондензаторите?
Диелектриците, използвани в кондензатора, помагат за намаляване на електрическото поле, което от своя страна намалява напрежението, като по този начин увеличава капацитета.
2). Кой диелектричен материал е широко използван в кондензаторите?
В кондензаторите широко се използват диелектрични материали като стъкло, керамика, въздух, слюда, хартия, пластмасово фолио.
3). Кой материал има най-висока диелектрична якост?
Отбелязва се, че перфектният вакуум има най-висока диелектрична якост.
4). Всички изолатори дали са диелектрици?
Не, въпреки че диелектриците се държат като изолатори, не всички изолатори са диелектрици.
По този начин диелектриците формират важна част от кондензаторите. Добрият диелектричен материал трябва да има добра диелектрична константа, диелектрична якост, нисък фактор на загуби, стабилност при висока температура, висока стабилност при съхранение, добра честотна характеристика и трябва да бъде приспособима към индустриалните процеси. Диелектриците също играят жизненоважна роля във високочестотните електронни схеми. Измерването на диелектричните свойства на материала дава информация за неговите електрически или магнитни характеристики. Какво е диелектрична константа?
