Kas yra dielektrinė konstanta?

Dielektrinė konstanta yra vertė, susijusi su medžiaga, kuri yra tarp kondensatoriaus plokštelių (arba kondensatoriaus - 1 pav.) Ir kuri leidžia optimizuoti ir padidinti jos funkciją. (Giancoli, 2006). Dielektrika yra sinonimas elektrinei izoliacijai, tai yra medžiagos, kurios neleidžia praeiti elektros srovės.

Ši reikšmė yra svarbi daugeliu aspektų, nes visiems namuose, rekreacinėse erdvėse, švietimo ar darbo vietose yra įprasta naudoti elektros ir elektroninę įrangą, tačiau tikrai nežinome, kokie sudėtingi procesai vyksta šiuose įrenginiuose.

Pavyzdžiui, mūsų mini komponentai, televizoriai ir daugialypės terpės įrenginiai savo funkcijoms naudoja tiesioginę srovę, tačiau namų ir pramonės srovės, pasiekiančios mūsų namus ir darbo vietas, yra kintamosios srovės. Kaip tai įmanoma?

Atsakymas į šį klausimą yra toje pačioje elektros ir elektroninėje įrangoje: kondensatoriai (arba kondensatoriai). Šie komponentai, be kita ko, leidžia pakeisti kintamosios srovės į nuolatinę srovę ir jos funkcionalumas priklauso nuo kondensatoriaus geometrijos ar formos ir dielektrinės medžiagos, esančios jos konstrukcijoje.

Dielektrinės medžiagos atlieka svarbų vaidmenį, nes jos leidžia plokštelėms, sudarančioms kondensatorių, būti labai arti, neliesdami jų ir visiškai uždengti erdvę tarp minėtų plokščių su dielektrine medžiaga, siekiant padidinti kondensatorių funkcionalumą.

Dielektrinės konstantos kilmė: kondensatoriai ir dielektrinės medžiagos

Šios konstanta vertė yra eksperimentinis rezultatas, tai yra, gaunama iš eksperimentų, atliktų su skirtingų tipų izoliacinėmis medžiagomis ir dėl to atsiranda tas pats reiškinys: padidėja kondensatoriaus funkcionalumas arba efektyvumas.

Kondensatoriai yra susieti su fiziniu kiekiu, vadinamu talpa „C“, ir kuris apibrėžia elektros krūvio „Q“ kiekį, kurį kondensatorius gali laikyti, kai tiekia tam tikrą potencialų skirtumą „ΔV“ (1 lygtis).

Eksperimentai parodė, kad visiškai uždengiant erdvę tarp kondensatoriaus plokštelių su dielektrine medžiaga, kondensatoriai padidina jų talpą koeficientu κ, vadinamą "dielektrine konstanta". (2 lygtis).

3 pav. Parodyta lygiagrečių plokščių plokščių talpyklos kondensatoriaus C iliustracija ir, atitinkamai, su vienodu elektros lauku, nukreiptu žemyn tarp plokštelių.

Viršutinėje figūros dalyje yra kondensatorius su vakuumu tarp plokštelių (vakuumas - leidžiamumas ε0). Tada apatinėje dalyje pateikiamas tas pats kondensatorius, kurio talpa C '> C, su dielektriku tarp jo plokščių (permittyvumo ε).

Figueroa (2005) išvardija tris kondensatorių dielektrinių medžiagų funkcijas:

1. Jie leidžia tvirtą ir kompaktišką konstrukciją, nedidelį atstumą tarp laidžių plokščių.
2. Jie leidžia naudoti didesnę įtampą nesukeliant smūgio (elektrinis plyšimo laukas yra didesnis nei oro)
3. Padidinkite kondensatoriaus talpą veiksniu κ, žinomu kaip medžiagos dielektrine konstanta.

Taigi autorius nurodo, kad κ "vadinama medžiagos dielektrine konstanta ir matuoja jo molekulinių dipolių reakciją į išorinį magnetinį lauką". Tai reiškia, kad dielektrinė konstanta yra didesnė, tuo didesnė medžiagos molekulių poliškumas.

Dielektrikos atomų modeliai

Medžiagos paprastai yra specifinės molekulinės struktūros, kurios priklauso nuo pačių molekulių ir jų sudedamųjų dalių kiekvienoje medžiagoje. Tarp molekulinių priemonių, kurios įsikiša į dielektrinius procesus, yra vadinamosios „polinės molekulės“ arba poliarizuotos.

Poliarinėse molekulėse yra vidutinis neigiamų krūvių padėties ir teigiamų krūvių padėties skirtumas, todėl jie turi elektros polius.

Pavyzdžiui, vandens molekulė (4 pav.) Turi nuolatinę poliarizaciją, nes teigiamo krūvio pasiskirstymo centras yra tarp vandenilio atomų vidurio. (Serway ir Jewett, 2005).

BeH2 molekulėje (berilio hidridas - 5 paveikslas) linijinė molekulė nesusidaro, nes teigiamų krūvių (hidrogenų) pasiskirstymo centras yra neigiamų krūvių (berilio) pasiskirstymo centre., panaikina bet kokią galimą poliarizaciją. Tai yra ne polinė molekulė.

Toje pačioje idėjų eilėje, kai dielektrinė medžiaga yra elektrinio lauko E, molekulės bus suderintos kaip elektrinio lauko funkcija, sukeldamos paviršiaus krūvio tankį ant dielektriko paviršių, nukreiptų prieš kondensatoriaus plokštes.

Dėl šio reiškinio dielektriko viduje esantis elektros laukas yra mažesnis nei kondensatoriaus sukurtas išorinis elektrinis laukas. Toliau pateiktoje iliustracijoje (6 pav.) Pavaizduotas poliarizuotas dielektrikas plokščiojo plokštės kondensatoriuje.

Svarbu pažymėti, kad šis reiškinys lengviau atsiranda poliarinėse medžiagose nei ne poliarinėse, nes yra poliarizuotų molekulių, kurios sąveikauja su didesniu efektyvumu esant elektriniam laukui. Nors vien tik elektrinio lauko buvimas sukelia nopolinių molekulių poliarizaciją, atsirandančią tuo pačiu reiškiniu kaip ir poliarinės medžiagos.

Kai kurių medžiagų dielektrinės konstantos vertės

Priklausomai nuo kondensatorių funkcionalumo, ekonomiškumo ir galutinio naudingumo, jų veikimui optimizuoti naudojamos skirtingos izoliacinės medžiagos.

Medžiagos, pvz., Popierius, yra labai ekonomiškos, nors jos gali sugesti esant aukštai temperatūrai ar sąlyčiui su vandeniu. Nors guma, ji išlieka kaliojo, bet atsparesnė. Mes taip pat turime porcelianą, kuris atsparus aukštai temperatūrai, bet negali prisitaikyti prie skirtingų formų.

Žemiau yra lentelė, kurioje nurodoma kai kurių medžiagų dielektrinė konstanta, kai dielektrinės konstantos neturi vienetų (jos yra dimensijos):

1 lentelė. Kai kurių medžiagų dielektrinės konstantos kambario temperatūroje.

Kai kurios dielektrinės medžiagos

Dielektrinės medžiagos yra svarbios pasaulinėje visuomenėje, turinčios platų spektrą nuo žemės ir palydovinio ryšio, įskaitant radijo programinę įrangą, GPS, aplinkos stebėjimą per palydovus. (Sebastian, 2010)

Be to, Fiedziuszko ir kt. (2002) apibūdina dielektrinių medžiagų svarbą belaidžio ryšio technologijoms, įskaitant korinio ryšio telefonams, plėtrai. Savo leidinyje jie apibūdina šios rūšies medžiagos svarbą įrenginių miniatiūriškumui.

Šioje idėjų eilėje šiuolaikiškumas sukėlė didelę paklausą medžiagoms, turinčioms aukštą ir žemą dielektrinių konstantų technologinį gyvenimą. Šios medžiagos yra esminiai interneto įrenginių komponentai, susiję su duomenų saugojimo funkcijomis, ryšiais ir duomenų perdavimu. (Nalwa, 1999).