Materijali su kategorizirani kao vodiči, izolatori i poluvodiči na temelju njihovih svojstava električne provodljivosti. Svaki se materijal sastoji od molekula koje se pak sastoje od atoma. Kada su podvrgnuti električnom polju, ovi atomi u materijalu podvrgavaju se određenim pomacima i promjenama svojstava. U listopadu 1745. godine, eksperiment koji je izvršio Ewald Georg von Kleist iz Njemačke povezivanjem visokonaponskog elektrostatičkog generatora s količinom vode prikupljene u ručnoj posudi pomoću žice pokazao je da se naboj može pohraniti. Koristeći ovaj fenomen, Pieter van Musschenbroek izumio je prvi kondenzator nazvan 'Leyden Jar'. Novo svojstvo materijala koje je podržalo ovaj izum bilo je 'Dielectric'.

Što je dielektrik?

Svaki materijal sastoji se od atoma. Atomi sadrže i negativno i pozitivno nabijene čestice. Središnja jezgra atoma je pozitivno nabijena. U bilo kojem materijalu atomi su poredani kao dipolima predstavljen s pozitivnim i negativnim nabojem na svom kraju. Kada su ti materijali izloženi električnom polju dolazi do dipolnog momenta.

Materijal vodiča počinje provoditi kad se primijeni električna energija. Izolator se suprotstavlja protoku električne energije jer u svojoj strukturi nema slobodnih elektrona u pokretu. Ali Dielectric je posebna vrsta izolatora koji ne provodi električnu energiju, ali se polarizira kada je podvrgnut električnoj energiji.

Polarizacija u dielektriku

U dielektričnim materijalima, kada se podvrgnu električnom polju, pozitivni naboji prisutni u materijalu pomiču se u smjeru primijenjenog električnog polja. Negativni naboji pomaknuti su u smjeru suprotnom od primijenjenog električnog polja. To dovodi do dielektrične polarizacije. U dielektričnom materijalu električni naboji ne teku kroz materijal. Polarizacija smanjuje ukupno polje dielektrika.

Svojstva dielektrika

Izraz Dielectric prvi je uveo William Whewell. To je kombinacija dviju riječi - 'Dia' i 'electric'. Električna vodljivost savršenog dielektrika je nula. Dielektrik pohranjuje i rasipa električnu energiju slično idealnom kondenzatoru. Neka od glavnih svojstava dielektričnog materijala su električna osjetljivost, dielektrična polarizacija, dielektrična disperzija, dielektrična relaksacija, prilagodljivost itd.

Električna osjetljivost

Koliko se dielektrični materijal lako polarizira kada je izložen električnom polju, mjeri se električnom osjetljivošću. Ova količina također određuje električnu propusnost materijala.

Dielektrična polarizacija

Električni dipolni moment mjera je razdvajanja negativnog i pozitivnog naboja u sustavu. Odnos između dipolnog momenta (M) i električnog polja (E) daje svojstva dielektrika. Kada se primijenjeno električno polje ukloni, atom se vraća u prvobitno stanje. To se događa na eksponencijalni način raspada. Vrijeme potrebno atomu da dostigne prvobitno stanje poznato je kao vrijeme relaksacije.

Ukupna polarizacija

Dva su čimbenika koja odlučuju o polarizaciji dielektrika. Oni su nastanak dipolnog momenta i njihova orijentacija u odnosu na električno polje. Na temelju elementarnog dipolnog tipa može postojati ili elektronička polarizacija ili ionska polarizacija. Elektronička polarizacija P_jenastaje kada su dielektrične molekule koje tvore dipolni moment sastavljene od neutralnih čestica.

Jonska polarizacija P_jai elektronička polarizacija neovisne su o temperaturi. U molekulama nastaju trajni dipolni momenti kada postoji asimetrična raspodjela naboja između različitih atoma. U takvim slučajevima orijentacijska polarizacija P_ilipromatra se. Ako je u dielektričnom materijalu prisutan slobodni naboj, to bi dovelo do polarizacije svemirskog naboja P_s. Ukupna polarizacija dielektrika uključuje sve ove mehanizme. Tako je ukupna polarizacija dielektričnog materijala

Str_Ukupno= P_ja+ P_je+ P_ili+ P_s

Dielektrična disperzija

Kada je P maksimalna polarizacija koju postiže dielektrik, t_rje vrijeme opuštanja za određeni proces polarizacije, postupak dielektrične polarizacije može se izraziti kao

“bode plot visokopropusnog filtra ”

P (t) = P [1-exp (-t / t_r)]]

Vrijeme opuštanja varira za različite procese polarizacije. Elektronička polarizacija je vrlo brza praćena ionskom polarizacijom. Orijentacijska polarizacija je sporija od ionske polarizacije. Polarizacija svemirskog naboja vrlo je spora.

Dielektrični slom

Kada se primijene veća električna polja, izolator počinje provoditi i ponaša se kao vodič. U takvim uvjetima dielektrični materijali gube svoja dielektrična svojstva. Taj je fenomen poznat pod nazivom Dielektrični slom. To je nepovratan proces. To dovodi do otkaza dielektričnih materijala.

Vrste dielektričnog materijala

Dielektrika je kategorizirana na temelju vrste molekule prisutne u materijalu. Dvije su vrste dielektrika - polarna dielektrika i nepolarna dielektrika.

Polarna dielektrika

U polarnoj dielektrici središte mase pozitivnih čestica ne poklapa se sa središtem mase negativnih čestica. Ovdje postoji dipolni trenutak. Molekule su asimetričnog oblika. Kada se primijeni električno polje, molekule se poravnaju s električnim poljem. Kada se ukloni električno polje, uočava se slučajni dipolni trenutak i neto dipolni moment u molekulama postaje nula. Primjeri su H2O, CO2, itd ...

Nepolarna dielektrika

U nepolarnim dielektricima središte mase pozitivnih i negativnih čestica podudara se. U tim molekulama nema dipolnog momenta. Te su molekule simetričnog oblika. Primjeri nepolarnih dielektrika su H2, N2, O2 itd. ...

Primjeri dielektričnog materijala

Dielektrični materijali mogu biti krute tvari, tekućine, plinovi i vakuum. Čvrsti dielektrici vrlo se koriste u elektrotehnici. Neki od primjera prodanih dielektrika su porculan, keramika, staklo, papir itd. Suhi zrak, dušik, sumporni heksafluorid i oksidi različitih metala primjeri su plinovitih dielektrika. Destilirana voda, transformatorsko ulje česti su primjeri tekućih dielektrika.

Primjene dielektričnog materijala

Neke od primjena dielektrika su sljedeće -

Koriste se za skladištenje energije u kondenzatori .
Da bi se poboljšale performanse poluvodičkih uređaja, koriste se dielektrični materijali visoke propusnosti.
Dielektrika se koristi u Prikazi s tekućim kristalima.
Keramički dielektrik koristi se u oscilatoru dielektričnog rezonatora.
Tanki filmovi barij-stroncijevog titanata dielektrični su i koriste se u mikrovalnim uređajima za podešavanje koji pružaju visoku prilagodljivost i malu struju curenja.
Parilen se koristi u industrijskim premazima i djeluje kao prepreka između podloge i vanjske okoline.
U električnom transformatori , mineralna ulja koriste se kao tekući dielektrik i pomažu u procesu hlađenja.
Ricinusovo ulje koristi se u visokonaponskim kondenzatorima za povećanje njegove kapacitivne vrijednosti.
Elektreti, posebno obrađeni dielektrični materijal, djeluju kao elektrostatički ekvivalent magnetima.

Najčešća pitanja

1). Kakva je korist od dielektrika u kondenzatorima?

Dielektrika korištena u kondenzatoru pomaže u smanjenju električnog polja što zauzvrat smanjuje napon i na taj način povećava kapacitet.

2). Koji se dielektrični materijal široko koristi u kondenzatorima?

U kondenzatorima se široko koriste dielektrični materijali poput stakla, keramike, zraka, tinjca, papira, plastične folije.

3). Koji materijal ima najveću dielektričnu čvrstoću?

Primijećeno je da savršeni vakuum ima najveću dielektričnu čvrstoću.

4). Jesu li svi izolatori dielektrični?

Ne, iako se dielektričari ponašaju kao izolatori, nisu svi izolatori dielektrični.

Dakle, dielektrici čine važan dio kondenzatora. Dobar dielektrični materijal trebao bi imati dobru dielektričnu konstantu, dielektričnu čvrstoću, nizak faktor gubitaka, stabilnost na visokoj temperaturi, visoku stabilnost skladištenja, dobar frekvencijski odziv i trebao bi se prilagoditi industrijskim procesima. Dielektrika također igra vitalnu ulogu u visokofrekventnim elektroničkim krugovima. Mjerenje dielektričnih svojstava materijala daje informacije o njegovim električnim ili magnetskim karakteristikama. Što je dielektrična konstanta?