KAJ JE DIELEKTRIČNA KONSTANTA? - FIZIČNO - 2026

Dielektrična konstanta je vrednost povezana z materialom, ki je postavljen med plošči kondenzatorja (ali kondenzator - slika 1), in ki omogoča optimizacijo in povečati svojo funkcijo. (Giancoli, 2006). Dielektrična je sinonim za električni izolator, torej so materiali, ki ne dovoljujejo prehoda električnega toka.

Ta vrednost je pomembna iz mnogih vidikov, saj je vsem običajno, da v svojih domovih, rekreacijskih prostorih, izobraževalnih ali delovnih postajah uporabljajo električno in elektronsko opremo, zagotovo pa se ne zavedamo zapletenih procesov, ki se v tej opremi dogajajo, da bi delovala.

Slika 1: Različne vrste kondenzatorjev.

Na primer, naše minikomponente, televizorji in multimedijske naprave uporabljajo enosmerni tok za svoje funkcije, vendar domači in industrijski tokovi, ki dosežejo naše domove in delovna mesta, so izmenični tokovi. Kako je to mogoče?.

Slika 2: Električni tokokrog domače opreme

Odgovor na to vprašanje je znotraj iste električne in elektronske opreme: kondenzatorji (ali kondenzatorji). Te komponente med drugim omogočajo popravljanje izmeničnega toka na enosmerni tok, njihova funkcionalnost pa je odvisna od geometrije ali oblike kondenzatorja in dielektričnega materiala, ki je prisoten v njegovi zasnovi.

Dielektrični materiali igrajo pomembno vlogo, saj omogočajo, da so plošče, ki sestavljajo kondenzator, zelo blizu, brez dotika, in v celoti prekrijejo prostor med omenjenimi ploščami z dielektričnim materialom, da povečajo funkcionalnost kondenzatorjev.

Izvor dielektrične konstante: kondenzatorji in dielektrični materiali

Vrednost te konstante je eksperimentalni rezultat, to je, da izhaja iz poskusov, izvedenih z različnimi vrstami izolacijskih materialov in ima za posledico isti pojav: povečano funkcionalnost ali učinkovitost kondenzatorja.

Kondenzatorji so povezani s fizikalno količino, imenovano kapacitivnost "C", ki definira količino električnega naboja "Q", ki jo kondenzator lahko shrani, tako da zagotovi določeno razliko potenciala "∆V" (enačba 1).

(Enačba 1)

Poskusi so ugotovili, da s popolnim pokrivanjem prostora med ploščami kondenzatorja z dielektričnim materialom kondenzatorji povečajo svojo kapacitivnost s faktorjem κ, imenovanim "dielektrična konstanta". (Enačba 2).

(Enačba 2)

Slika 3 napolnjenega kondenzatorja C s kondenzatorjem vzporedne plošče in posledično z enakomernim električnim poljem, usmerjenim navzdol med njegove plošče, je prikazana na sliki 3.

Na vrhu slike je kondenzator z vakuumom med njegovimi ploščami (vakuum - dovoljenje ∊0). Nato je na dnu predstavljen enak kondenzator s kapacitivnostjo C '> C, ki ima med svojimi ploščami dielektriko (z dovoljenjem ∊).

Slika 3: Vzporedno paralelni ploščni kondenzator brez dielektrika in z dielektrikom.

Figueroa (2005) navaja tri funkcije za dielektrične materiale v kondenzatorjih:

1. Omogočajo togo in kompaktno konstrukcijo z majhno vrzeljo med prevodnimi ploščami.
2. Omogočajo uporabo višje napetosti, ne da bi povzročili razelektritev (razpadno električno polje je večje od zraka)
3. Poveča kapacitivnost kondenzatorja za faktor κ, znan kot dielektrična konstanta materiala.

Tako avtor navaja, da se κ "imenuje dielektrična konstanta materiala in meri odziv njegovih molekulskih dipolov na zunanje magnetno polje". To pomeni, da je dielektrična konstanta višja, večja je polarnost molekul materiala.

Atomski modeli dielektrikov

Na splošno imajo materiali posebne molekularne razporeditve, ki so odvisne od molekul samih in elementov, ki jih sestavljajo v vsakem materialu. Med molekularnimi ureditvami, ki posegajo v dielektrične procese, je tako imenovana "polarna molekula" ali polarizirana.

Pri polarnih molekulah obstaja ločitev med srednjim položajem negativnih nabojev in srednjim položajem pozitivnih nabojev, zaradi česar imajo električni polov.

Na primer, molekula vode (slika 4) je trajno polarizirana, ker je središče porazdelitve pozitivnega naboja na sredini med vodikovimi atomi. (Serway in Jewett, 2005).

Slika 4: Porazdelitev molekule vode.

Medtem ko je v molekuli BeH2 (berilijev hidrid - slika 5) linearna molekula, ni polarizacije, saj je središče porazdelitve pozitivnih nabojev (vodikov) v središču porazdelitve negativnih nabojev (berilij) , prekliče kakršno koli polarizacijo, ki lahko obstaja. To je nepolarna molekula.

Slika 5: Porazdelitev molekule berilijevega hidrida.

Kadar je dielektrični material v prisotnosti električnega polja E, se molekule poravnajo kot funkcija električnega polja, kar povzroči gostoto naboja na straneh dielektrika, ki se soočajo s ploščami kondenzatorja.

Zaradi tega pojava je električno polje znotraj dielektrika manjše od zunanjega električnega polja, ki ga ustvari kondenzator. Naslednja slika (slika 6) prikazuje električno polariziran dielektrik znotraj ravninskega paralelnega kondenzatorja plošče.

Pomembno je opozoriti, da se zaradi pojava polariziranih materialov lažje pojavljajo polarni materiali kot nepolarni zaradi obstoja polariziranih molekul, ki učinkoviteje medsebojno delujejo v prisotnosti električnega polja. Čeprav že sama prisotnost električnega polja povzroči polarizacijo nepolarnih molekul, kar ima za posledico isti pojav kot pri polarnih materialih.

Slika 6: Modeli polariziranih molekul dielektrika zaradi električnega polja, ki izvirajo iz napolnjenega kondenzatorja.

Dielektrične konstantne vrednosti v nekaterih materialih

Glede na funkcionalnost, ekonomičnost in najboljšo uporabnost kondenzatorjev se za optimiziranje njihovih lastnosti uporabljajo različni izolacijski materiali.

Materiali, kot je papir, so zelo poceni, čeprav lahko pri visokih temperaturah ali v stiku z vodo odpovejo. Čeprav je guma, je še vedno mehak, vendar bolj odporen. Imamo tudi porcelan, ki se upira visokim temperaturam, čeprav se po potrebi ne more prilagoditi različnim oblikam.

Spodaj je tabela, kjer je navedena dielektrična konstanta nekaterih materialov, kjer dielektrične konstante nimajo enot (so brezdimenzijske):

Tabela 1: Dielektrične konstante nekaterih materialov pri sobni temperaturi.

Nekatere uporabe dielektričnih materialov

Dielektrični materiali so pomembni v svetovni družbi s široko paleto aplikacij, od prizemnih in satelitskih komunikacij, vključno z radijsko programsko opremo, GPS, nadzorom okolja prek satelitov. (Sebastian, 2010)

Fiedziuszko in drugi (2002) opisujejo pomen dielektričnih materialov za razvoj brezžične tehnologije, tudi za mobilno telefonijo. V svoji publikaciji opisujejo pomen tovrstnih materialov pri miniaturizaciji opreme.

V tem vrstnem redu idej je sodobnost ustvarila veliko povpraševanja po materialih z visokimi in nizkimi dielektričnimi konstantami za razvoj tehnološkega življenja. Ta gradiva so bistvene komponente internetnih naprav v smislu funkcij shranjevanja podatkov, komunikacije in uspešnosti prenosa podatkov. (Nalwa, 1999).

Reference

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Dielektrični materiali, naprave in vezja. Transakcije IEEE o mikrovalovni teoriji in tehnikah, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Električna interakcija. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García and Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FIZIČNO. Začenši z aplikacijami. Mehika: PEARSON EDUCACION.
4. Nalwa, HS (ur.). (1999). Priročnik z nizko in visokimi dielektričnimi konstantnimi materiali in njihovo uporabo, dvodelni komplet. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Dielektrični materiali za brezžično komunikacijo. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Fizika za znanost in tehniko. Mehika: International Thomson Editores.