Materiály jsou kategorizovány jako vodiče, izolátory a polovodiče na základě jejich elektrických vodivých vlastností. Každý materiál je tvořen molekulami, které jsou zase tvořeny atomy. Když jsou tyto atomy v materiálu vystaveny elektrickému poli, procházejí určitými posuny a změnami vlastností. V říjnu 1745 experiment provedený Ewaldem Georgem von Kleistem z Německa připojením vysokonapěťového elektrostatického generátoru k objemu vody shromážděné v ruční nádobě pomocí drátu ukázal, že náboj lze skladovat. Pomocí tohoto jevu vynalezl Pieter van Musschenbroek první kondenzátor s názvem „Leyden Jar“. Nová materiální vlastnost, která podpořila tento vynález, byla „dielektrická“.
Co je to dielektrikum?
Každý materiál je tvořen atomy. Atomy obsahují záporně i kladně nabité částice. Centrální jádro atomu je kladně nabité. V jakémkoli materiálu jsou atomy uspořádány jako dipóly s kladným a záporným nábojem na konci. Když jsou tyto materiály vystaveny elektrickému poli, nastává dipólový moment.
Materiál vodiče začne vodit, když je přivedena elektřina. Izolátor se staví proti toku elektřiny, protože ve své struktuře nemá žádné volně se pohybující elektrony. Ale dielektrikum je speciální typ izolátoru, který nevede elektřinu, ale polarizuje se, když je vystaven elektřině.
Polarizace v dielektriku
V dielektrických materiálech se při vystavení elektrickému poli kladné náboje přítomné v materiálu přemístí ve směru aplikovaného elektrického pole. Záporné náboje jsou posunuty ve směru opačném k aplikovanému elektrickému poli. To vede k dielektrické polarizaci. V dielektrickém materiálu elektrické náboje neprotékají materiálem. Polarizace snižuje celkové pole dielektrika.
Vlastnosti dielektrika
Termín dielektrikum poprvé představil William Whewell. Jedná se o kombinaci dvou slov - „Dia“ a „elektrický“. Elektrická vodivost dokonalého dielektrika je nulová. Dielektrikum ukládá a rozptyluje elektrickou energii podobně jako ideální kondenzátor. Některé z hlavních vlastností dielektrického materiálu jsou elektrická citlivost, dielektrická polarizace, dielektrická disperze, dielektrická relaxace, laditelnost atd.
Elektrická citlivost
Jak snadno lze dielektrický materiál polarizovat, když je vystaven elektrickému poli, se měří elektrickou susceptibilitou. Toto množství také určuje elektrickou propustnost materiálu.
Dielektrická polarizace
Elektrický dipólový moment je měřítkem oddělení záporného a kladného náboje v systému. Vztah mezi dipólovým momentem (M) a elektrickým polem (E) vede k vlastnostem dielektrika. Když je aplikované elektrické pole odstraněno, atom se vrátí do původního stavu. To se děje způsobem exponenciálního rozpadu. Čas, který atom potřebuje k dosažení původního stavu, se nazývá relaxační čas.
Celková polarizace
O polarizaci dielektrika rozhodují dva faktory. Jedná se o formování dipólového momentu a jejich orientaci vzhledem k elektrickému poli. Na základě elementárního typu dipólu může existovat buď elektronická polarizace, nebo iontová polarizace. Elektronická polarizace Pjenastává, když jsou dielektrické molekuly tvořící dipólový moment složeny z neutrálních částic.
Iontová polarizace Pia elektronická polarizace jsou nezávislé na teplotě. Trvalé dipólové momenty se vytvářejí v molekulách, když existuje asymetrické rozložení náboje mezi různými atomy. V takových případech je orientační polarizace Pneboje pozorován. Pokud je v dielektrickém materiálu přítomen volný náboj, vedlo by to k polarizaci vesmírného náboje Ps. Celková polarizace dielektrika zahrnuje všechny tyto mechanismy. Celková polarizace dielektrického materiálu tedy je
PCelkový= Pi+ Pje+ Pnebo+ Ps
Dielektrická disperze
Když P je maximální polarizace dosažená dielektrikem, trje relaxační doba pro konkrétní polarizační proces, lze dielektrický polarizační proces vyjádřit jako
P (t) = P [1-exp (-t / tr)]
Doba relaxace se liší pro různé polarizační procesy. Elektronická polarizace je velmi rychlá, následovaná iontovou polarizací. Orientační polarizace je pomalejší než iontová polarizace. Polarizace vesmírného náboje je velmi pomalá.
Dielektrické zhroucení
Když jsou aplikována vyšší elektrická pole, izolátor začne vést a chová se jako vodič. Za takových podmínek dielektrické materiály ztrácejí dielektrické vlastnosti. Tento jev je znám jako Dielectric Breakdown. Je to nevratný proces. To vede k selhání dielektrických materiálů.
Druhy dielektrického materiálu
Dielektrika jsou kategorizována na základě typu molekuly přítomné v materiálu. Existují dva typy dielektrik - polární dielektrika a nepolární dielektrika.
Polární dielektrika
V polárních dielektrikách se těžiště pozitivních částic neshoduje s těžištěm negativních částic. Zde existuje dipólový moment. Molekuly mají asymetrický tvar. Když je aplikováno elektrické pole, molekuly se vyrovnají s elektrickým polem. Když je elektrické pole odstraněno, je pozorován náhodný dipólový moment a čistý dipólový moment v molekulách se stane nulovým. Příkladem jsou H2O, CO2 atd.
Nepolární dielektrika
V nepolárních dielektrikách se střed hmoty pozitivních částic a negativních částic shoduje. V těchto molekulách není dipólový moment. Tyto molekuly mají symetrický tvar. Příklady nepolárních dielektrik jsou H2, N2, O2 atd.
Příklady dielektrického materiálu
Dielektrické materiály mohou být pevné látky, kapaliny, plyny a vakuum. Pevná dielektrika jsou velmi používána v elektrotechnice. Příkladem prodávaných dielektrik je porcelán, keramika, sklo, papír atd. Suchým vzduchem, dusíkem, hexafluoridem síry a oxidy různých kovů jsou příklady plynných dielektrik. Destilovaná voda a transformátorový olej jsou běžnými příklady kapalných dielektrik.
Aplikace dielektrického materiálu
Některé z aplikací dielektrika jsou následující -
- Ty se používají pro skladování energie v kondenzátory .
- Pro zvýšení výkonu polovodičového zařízení se používají dielektrické materiály s vysokou permitivitou.
- Dielektrika se používají v Displeje z tekutých krystalů.
- Keramické dielektrikum se používá v dielektrickém rezonátorovém oscilátoru.
- Tenké vrstvy barium-stroncium-titaničitanu jsou dielektrické, které se používají v mikrovlnně laditelných zařízeních poskytujících vysokou laditelnost a malý svodový proud.
- Parylen se používá v průmyslových nátěrech a působí jako bariéra mezi podkladem a vnějším prostředím.
- V elektrickém transformátory , minerální oleje se používají jako kapalné dielektrikum a pomáhají při procesu chlazení.
- Ricinový olej se používá ve vysokonapěťových kondenzátorech ke zvýšení jeho kapacitní hodnoty.
- Elektrety, speciálně zpracovaný dielektrický materiál, působí jako elektrostatický ekvivalent magnetům.
Časté dotazy
1). Jaké je použití dielektrika v kondenzátorech?
Dielektrika použitá v kondenzátoru pomáhá snižovat elektrické pole, což zase snižuje napětí a tím zvyšuje kapacitu.
2). Který dielektrický materiál je široce používán v kondenzátorech?
V kondenzátorech jsou široce používány dielektrické materiály, jako je sklo, keramika, vzduch, slída, papír, plastová fólie.
3). Který materiál má nejvyšší dielektrickou pevnost?
Dokonalé vakuum má nejvyšší dielektrickou pevnost.
4). Jsou všechny izolátory dielektrika?
Ne, i když se dielektrika chovají jako izolátory, ne všechny izolátory jsou dielektrika.
Dielektrika tedy tvoří důležitou součást kondenzátorů. Dobrý dielektrický materiál by měl mít dobrou dielektrickou konstantu, dielektrickou pevnost, nízký ztrátový faktor, stabilitu při vysokých teplotách, vysokou stabilitu při skladování, dobrou frekvenční odezvu a měl by být přizpůsobitelný průmyslovým procesům. Dielektrika také hrají důležitou roli ve vysokofrekvenčních elektronických obvodech. Měření dielektrických vlastností materiálu poskytuje informace o jeho elektrických nebo magnetických charakteristikách. Co je to dielektrická konstanta?
