Materiāli tiek klasificēti kā vadītāji, izolatori un pusvadītāji pamatojoties uz to elektrību vadošajām īpašībām. Katru materiālu veido molekulas, kuras savukārt veido atomi. Pakļaujoties elektriskajam laukam, šie materiāla atomi piedzīvo noteiktas pārvietošanās un īpašību izmaiņas. 1745. gada oktobrī eksperts, ko veica Evalds Georgs fon Kleists no Vācijas, savienojot augstsprieguma elektrostatisko ģeneratoru ar ūdens tilpumu, kas savākts rokas burkā, izmantojot vadu, parādīja, ka lādiņu var uzglabāt. Izmantojot šo fenomenu, Pīters van Muschenbroeks izgudroja pirmo kondensatoru ar nosaukumu “Leyden Jar”. Jaunais materiālais īpašums, kas atbalstīja šo izgudrojumu, bija “Dielectric”.
Kas ir dielektriķis?
Katrs materiāls sastāv no atomiem. Atomi satur gan negatīvi, gan pozitīvi lādētas daļiņas. Atoma centrālais kodols ir pozitīvi uzlādēts. Jebkurā materiālā atomi ir sakārtoti tā dipoli ar pozitīvu un negatīvu lādiņu tās galā. Kad šie materiāli tiek pakļauti elektriskajam laukam, notiek dipola moments.
Vadītāja materiāls sāk vadīt, kad tiek lietota elektrība. Izolators iebilst pret elektrības plūsmu, jo tā struktūrā nav brīvi kustīgu elektronu. Bet Dielectric ir īpašs izolatoru veids, kas nevada elektrību, bet tiek pakļauts polarizācijai, pakļaujoties elektrībai.
Polarizācija dielektrikā
Dielektriskajos materiālos, pakļaujoties elektriskajam laukam, materiālā esošie pozitīvie lādiņi tiek pārvietoti pielietotā elektriskā lauka virzienā. Negatīvie lādiņi tiek novirzīti pretējā virzienā uz pielietoto elektrisko lauku. Tas noved pie dielektriskās polarizācijas. Dielektriskajā materiālā elektriskie lādiņi neplūst caur materiālu. Polarizācija samazina dielektrikas kopējo lauku.
Dielektriskā īpašības
Terminu Dielectric pirmo reizi ieviesa Viljams Vauels. Tā ir divu vārdu - ‘Dia’ un ‘elektriskā’ kombinācija. Ideāla dielektriskā elektrovadītspēja ir nulle. Dielektrisks uzkrāj un izkliedē elektrisko enerģiju, kas līdzīga ideālam kondensatoram. Dažas no dielektriskā materiāla galvenajām īpašībām ir elektriskā jutība, dielektriskā polarizācija, dielektriskā dispersija, dielektriskā relaksācija, noskaņojamība utt.
Elektriskā uzņēmība
To, cik viegli dielektrisko materiālu var polarizēt, pakļaujoties elektriskajam laukam, mēra ar elektrisko jutību. Šis daudzums nosaka arī materiāla elektrisko caurlaidību.
Dielektriskā polarizācija
Elektriskais dipola moments ir negatīvā un pozitīvā lādiņa atdalīšanas mērs sistēmā. Attiecība starp dipola momentu (M) un elektrisko lauku (E) rada dielektriskās īpašības. Kad pielietotais elektriskais lauks tiek noņemts, atoms atgriežas sākotnējā stāvoklī. Tas notiek eksponenciālā sabrukšanas veidā. Laiks, kas atomam nepieciešams, lai sasniegtu sākotnējo stāvokli, ir pazīstams kā Relaksācijas laiks.
Kopējā polarizācija
Dielektrikas polarizāciju izšķir divi faktori. Tie ir dipola momenta veidošanās un to orientācija attiecībā pret elektrisko lauku. Pamatojoties uz elementārā dipola tipu, var būt vai nu elektroniska, vai jonu polarizācija. Elektroniskā polarizācija Pirrodas, ja dipola momentu veidojošās dielektriskās molekulas sastāv no neitrālām daļiņām.
Jonu polarizācija Piun elektroniskā polarizācija nav atkarīga no temperatūras. Molekulās rodas pastāvīgi dipola momenti, kad starp dažādiem atomiem ir asimetrisks lādiņa sadalījums. Šādos gadījumos orientēšanās polarizācija Pvaitiek novērots. Ja dielektriskajā materiālā atrodas bezmaksas lādiņš, tas novestu pie Kosmosa lādiņa polarizācijas Ps. Dielektrikas kopējā polarizācija ietver visus šos mehānismus. Tādējādi kopējā dielektriskā materiāla polarizācija ir
PKopā= Pi+ Pir+ Pvai+ Ps
Dielektriskā dispersija
Kad P ir maksimālā polarizācija, ko panāk ar dielektriku, trir relaksācijas laiks konkrētam polarizācijas procesam, dielektriskās polarizācijas procesu var izteikt kā
P (t) = P [1-ekspozīcija (-t / tr)]
Relaksācijas laiks dažādiem polarizācijas procesiem ir atšķirīgs. Elektroniskā polarizācija notiek ļoti ātri, kam seko jonu polarizācija. Orientācijas polarizācija ir lēnāka nekā jonu polarizācija. Kosmosa lādiņa polarizācija notiek ļoti lēni.
Dielektriskais sadalījums
Kad tiek izmantoti augstāki elektriskie lauki, izolators sāk vadīt un izturas kā vadītājs. Šādos apstākļos dielektriskie materiāli zaudē dielektriskās īpašības. Šī parādība ir pazīstama kā dielektriskais sadalījums. Tas ir neatgriezenisks process. Tas noved pie dielektrisko materiālu atteices.
Dielektriskā materiāla veidi
Dielektriķi tiek iedalīti kategorijās, pamatojoties uz materiālā esošās molekulas tipu. Ir divu veidu dielektriķi - polārie un nepolārie.
Polārā dielektrija
Polārajā dielektrikā pozitīvo daļiņu masas centrs nesakrīt ar negatīvo daļiņu masas centru. Šeit pastāv dipola moments. Molekulas ir asimetriskas formas. Pielietojot elektrisko lauku, molekulas izlīdzinās ar elektrisko lauku. Kad elektriskais lauks tiek noņemts, tiek novērots nejaušs dipola moments un neto dipola moments molekulās kļūst nulle. Piemēri ir H2O, CO2 utt.
Nepolāri dielektriķi
Nepolārajā dielektriķī pozitīvo daļiņu un negatīvo daļiņu masas centrs sakrīt. Šajās molekulās nav dipola momenta. Šīs molekulas ir simetriskas formas. Nepolāru dielektriķu piemēri ir H2, N2, O2 utt.
Dielektriskā materiāla piemēri
Dielektriskie materiāli var būt cietas vielas, šķidrumi, gāzes un vakuums. Cietie dielektriķi tiek ļoti izmantoti elektrotehnikā. Daži pārdoto dielektriķu piemēri ir porcelāns, keramika, stikls, papīrs utt. Gāzveida dielektriķu piemēri ir sauss gaiss, slāpeklis, sēra heksafluorīds un dažādu metālu oksīdi. Destilēts ūdens, transformatoru eļļa ir izplatīti šķidro dielektriķu piemēri.
Dielektriskā materiāla pielietojums
Daži no dielektrikas pielietojumiem ir šādi:
- Tos izmanto enerģijas uzkrāšanai kondensatori .
- Lai uzlabotu pusvadītāju ierīces darbību, tiek izmantoti augstas caurlaidības dielektriskie materiāli.
- Dielektriķi tiek izmantoti Šķidro kristālu displeji.
- Keramikas dielektriku izmanto dielektriskā rezonatora oscilatorā.
- Bārija stroncija titanāta plānās plēves ir dielektriskas, un tās tiek izmantotas mikroviļņu regulējamās ierīcēs, nodrošinot augstu noskaņojamību un mazu noplūdes strāvu.
- Parylene tiek izmantots rūpnieciskos pārklājumos, kas darbojas kā barjera starp pamatni un ārējo vidi.
- Elektriskajā transformatori , minerāleļļas tiek izmantotas kā šķidrs dielektrisks, un tās palīdz dzesēšanas procesā.
- Rīcineļļu izmanto augstsprieguma kondensatoros, lai palielinātu tās kapacitātes vērtību.
- Elektreti, īpaši apstrādāts dielektrisks materiāls, darbojas kā elektrostatiskais ekvivalents magnētiem.
Bieži uzdotie jautājumi
1). Kāda ir dielektriskā izmantošana kondensatoros?
Kondensatorā izmantotie dielektriskie elementi palīdz samazināt elektrisko lauku, kas savukārt samazina spriegumu, tādējādi palielinot kapacitāti.
2). Kurš dielektriskais materiāls tiek plaši izmantots kondensatoros?
Kondensatoros tiek plaši izmantoti dielektriskie materiāli, piemēram, stikls, keramika, gaiss, vizla, papīrs, plastmasas plēve.
3). Kuram materiālam ir vislielākā dielektriskā izturība?
Tiek atzīmēts, ka perfektam vakuumam ir vislielākā dielektriskā izturība.
4). Vai visi izolatori ir dielektriķi?
Nē, kaut arī dielektriķi darbojas kā izolatori, ne visi izolatori ir dielektriķi.
Tādējādi dielektriķi veido svarīgu kondensatoru daļu. Labam dielektriskajam materiālam vajadzētu būt labai dielektriskai konstantai, dielektriskai izturībai, zemam zudumu faktoram, stabilitātei augstā temperatūrā, augstai stabilitātei uzglabāšanā, labai frekvences jutībai, un to vajadzētu pielāgot rūpnieciskajiem procesiem. Dielektriķiem ir būtiska loma arī augstfrekvences elektroniskajās shēmās. Materiāla dielektrisko īpašību mērīšana sniedz informāciju par tā elektriskajām vai magnētiskajām īpašībām. Kas ir dielektriskā konstante?
