Materiaalit luokitellaan johtimiksi, eristeiksi ja puolijohteet niiden sähköä johtavien ominaisuuksien perusteella. Jokainen materiaali koostuu molekyyleistä, jotka puolestaan koostuvat atomista. Kun nämä kentät altistuvat sähkökentälle, ne siirtyvät ja muuttuvat ominaisuuksissaan. Lokakuussa 1745 saksalaisen Ewald Georg von Kleistin tekemä koe liittämällä korkeajännitteinen sähköstaattinen generaattori kädessä pidettävään purkkiin langalla kerättyyn vesimäärään osoitti, että varaus voidaan varastoida. Tätä ilmiötä käyttämällä Pieter van Musschenbroek keksi ensimmäisen kondensaattorin nimeltä Leyden Jar. Uusi materiaaliominaisuus, joka tuki tätä keksintöä, oli ”dielektrinen”.
Mikä on dielektrisyys?
Jokainen materiaali koostuu atomista. Atomit sisältävät sekä negatiivisesti että positiivisesti varautuneita hiukkasia. Atomin keskeinen ydin on positiivisesti varautunut. Missä tahansa materiaalissa atomit on järjestetty seuraavasti dipolit sen lopussa on positiivinen ja negatiivinen varaus. Kun nämä materiaalit altistuvat sähkökentälle, tapahtuu dipolimomentti.
Johdinmateriaali alkaa johtaa, kun sähköä käytetään. Eristin vastustaa sähkön virtausta, koska sen rakenteessa ei ole vapaasti liikkuvia elektroneja. Mutta Dielectric on erityinen eriste, joka ei johda sähköä, mutta polarisoituu, kun se altistetaan sähkölle.
Polarisaatio dielektrisessä muodossa
Dielektrisissä materiaaleissa, kun ne altistuvat sähkökentälle, materiaalissa olevat positiiviset varaukset siirtyvät käytetyn sähkökentän suuntaan. Negatiiviset varaukset siirtyvät käytetyn sähkökentän vastakkaiseen suuntaan. Tämä johtaa dielektriseen polarisaatioon. Dielektrisessä materiaalissa sähkövaraukset eivät virtaa materiaalin läpi. Polarisaatio vähentää dielektrisen kokonaiskenttää.
Dielektrisen ominaisuudet
Termin Dielectric otti ensimmäisen kerran käyttöön William Whewell. Se on kahden sanan - Dia ja sähköinen yhdistelmä. Täydellisen dielektrisen sähkönjohtavuus on nolla. Dielektrinen varastoi ja haihtaa sähköenergian ihanteellisen kondensaattorin tapaan. Jotkut dielektrisen materiaalin pääominaisuuksista ovat sähköherkkyys, dielektrinen polarisaatio, dielektrinen dispersio, dielektrinen rentoutuminen, viritettävyys jne.
Sähköinen herkkyys
Kuinka helposti dielektrinen materiaali voidaan polarisoida, kun se altistetaan sähkökentälle, mitataan sähköisellä herkkyydellä. Tämä määrä määrää myös materiaalin sähköisen läpäisevyyden.
Dielektrinen polarisaatio
Sähköinen dipolimomentti on mitta järjestelmän negatiivisen ja positiivisen varauksen erottamisesta. Dipolimomentin (M) ja sähkökentän (E) suhde saa aikaan dielektrisen ominaisuuden. Kun käytetty sähkökenttä poistetaan, atomi palaa alkuperäiseen tilaansa. Tämä tapahtuu eksponentiaalisesti rappeutuvalla tavalla. Aika, jonka atomi vie alkuperäiseen tilaansa, tunnetaan rentoutumisajana.
Täysi polarisaatio
Dielektrisen polarisaation ratkaisee kaksi tekijää. Ne ovat dipolimomentin muodostumista ja niiden suuntausta sähkökentään nähden. Alkeisdipolityypin perusteella voi olla joko elektronista tai ionista polarisaatiota. Elektroninen polarisaatio POntapahtuu, kun dipolimomentin muodostavat dielektriset molekyylit koostuvat neutraaleista hiukkasista.
Ioninen polarisaatio Pija elektroninen polarisaatio ovat molemmat riippumattomia lämpötilasta. Pysyviä dipolimomentteja syntyy molekyyleissä, kun varauksen jakauma on epäsymmetrinen eri atomien välillä. Tällaisissa tapauksissa suuntautuva polarisaatio Ptaihavaitaan. Jos dielektrisessä materiaalissa on vapaata varausta, se johtaisi avaruusvarauksen polarisaatioon Ps. Dielektrisen kokonaispolarisaatio sisältää kaikki nämä mekanismit. Täten dielektrisen materiaalin kokonaispolarisaatio on
PKaikki yhteensä= Pi+ POn+ Ptai+ Ps
Dielektrinen dispersio
Kun P on dielektrillä saavutettu suurin polarisaatio, tron rentoutumisaika tietylle polarisaatioprosessille, dielektrinen polarisaatioprosessi voidaan ilmaista
P (t) = P [1-exp (-t / tr)]
Rentoutumisaika vaihtelee eri polarisaatioprosesseissa. Elektroninen polarisaatio on erittäin nopea, jota seuraa ionipolarisaatio. Orientointipolarisaatio on hitaampaa kuin ionipolarisaatio. Avaruusvarauksen polarisaatio on hyvin hidasta.
Dielektrinen jakautuminen
Kun käytetään suurempia sähkökenttiä, eristin alkaa toimia ja käyttäytyy johtimena. Tällaisissa olosuhteissa dielektriset materiaalit menettävät dielektriset ominaisuutensa. Tämä ilmiö tunnetaan nimellä dielektrinen hajoaminen. Se on peruuttamaton prosessi. Tämä johtaa dielektristen materiaalien vikaantumiseen.
Dielektrisen materiaalin tyypit
Dielektriset aineistot luokitellaan materiaalissa olevan molekyylityypin perusteella. Eristeitä on kahta tyyppiä - polaariset ja ei-polaariset.
Polaarieristimet
Polaarisissa dielektrikoissa positiivisten hiukkasten massakeskus ei ole sama kuin negatiivisten hiukkasten massakeskus. Tässä dipolimomentti on olemassa. Molekyylit ovat muodoltaan epäsymmetrisiä. Kun sähkökenttä kohdistuu, molekyylit kohdistuvat sähkökentän kanssa. Kun sähkökenttä poistetaan, havaitaan satunnainen dipolimomentti ja molekyylien nettodipolimomentista tulee nolla. Esimerkkejä ovat H2O, CO2 jne.
Ei-polaariset dielektriset aineet
Ei-polaarisissa dielektrikoissa positiivisten hiukkasten ja negatiivisten hiukkasten massan keskipiste on sama. Näissä molekyyleissä ei ole dipolimomenttia. Nämä molekyylit ovat muodoltaan symmetrisiä. Esimerkkejä ei-polaarisista dielektrikoista ovat H2, N2, O2 jne.
Esimerkkejä dielektrisestä materiaalista
Dielektriset materiaalit voivat olla kiinteitä aineita, nesteitä, kaasuja ja tyhjiötä. Kiinteitä dielektrikoita käytetään paljon sähkötekniikassa. Joitakin esimerkkejä myydyistä dielektrodeistä ovat posliini, keramiikka, lasi, paperi jne.… Kuiva ilma, typpi, rikkiheksafluoridi ja eri metallien oksidit ovat esimerkkejä kaasumaisista dielektrikoista. Tislattu vesi, muuntajaöljy ovat yleisiä esimerkkejä nestemäisistä dielektrikoista.
Dielektrisen materiaalin sovellukset
Jotkut dielektristen sovellusten sovellukset ovat seuraavat:
- Niitä käytetään energian varastointiin vuonna kondensaattorit .
- Puolijohdelaitteen suorituskyvyn parantamiseksi käytetään suuren läpäisevyyden omaavia dielektrisiä materiaaleja.
- Dielektrikoita käytetään Nestekidenäytöt.
- Keraamista dielektriä käytetään dielektrisen resonaattorin oskillaattorissa.
- Barium Strontium Titanate -ohutkalvot ovat dielektrisiä, joita käytetään mikroaaltouunissa viritettävissä laitteissa, jotka tarjoavat suuren viritettävyyden ja matalan vuotovirran.
- Paryleeniä käytetään teollisissa pinnoitteissa, joka toimii estona alustan ja ulkoisen ympäristön välillä.
- Sähköisessä muuntajat , mineraaliöljyjä käytetään nestemäisenä dielektrisenä aineena ja ne auttavat jäähdytysprosessissa.
- Risiiniöljyä käytetään suurjännitekondensaattoreissa kapasitanssiarvonsa lisäämiseksi.
- Elektretit, erityisesti käsitelty dielektrinen materiaali, toimii sähköstaattisena vastineena magneeteille.
UKK
1). Mitä hyötyä dielektrisestä on kondensaattoreissa?
Kondensaattorissa käytettävät eristeet auttavat pienentämään sähkökenttää, mikä puolestaan vähentää jännitettä ja lisää siten kapasitanssia.
2). Mitä dielektristä materiaalia käytetään laajalti kondensaattoreissa?
Kondensaattoreissa käytetään laajasti dielektrisiä materiaaleja, kuten lasi, keraaminen, ilma, kiille, paperi, muovikalvo.
3). Minkä materiaalin dielektrinen lujuus on suurin?
Täydellisellä tyhjiöllä todetaan olevan suurin dielektrinen lujuus.
4). Ovatko kaikki eristimet dielektrisiä?
Ei, vaikka dielektrikot käyttäytyvät eristeinä, kaikki eristimet eivät ole dielektrikoita.
Siten dielektriset elementit muodostavat tärkeän osan kondensaattoreista. Hyvällä dielektrisellä materiaalilla tulisi olla hyvä dielektrisyysvakio, dielektrinen lujuus, alhainen häviökerroin, korkean lämpötilan stabiilisuus, korkea varastointistabiilisuus, hyvä taajuusvaste ja se olisi muutettava teollisiin prosesseihin. Dielektrikoilla on myös tärkeä rooli suurtaajuisissa elektronisissa piireissä. Materiaalin dielektristen ominaisuuksien mittaus antaa tietoa sen sähköisistä tai magneettisista ominaisuuksista. Mikä on dielektrinen vakio?
