ЩО ТАКЕ ДІЕЛЕКТРИЧНА КОНСТАНТА? - ФІЗИЧНІ - 2025

Діелектрична проникність є значенням , пов'язаним з матеріалом , який поміщений між пластинами конденсатора (або конденсатора - фіг.1), що дозволяє оптимізувати і збільшуючи свою функцію. (Джанколі, 2006). Діелектрик є синонімом електричного ізолятора, тобто це матеріали, які не дозволяють пропускати електричний струм.

Ця цінність важлива з багатьох аспектів, оскільки всім прийнято користуватися електричним та електронним обладнанням у наших будинках, рекреаційних приміщеннях, на освітніх або робочих станціях, але, безумовно, ми не знаємо про складні процеси, які відбуваються в цьому обладнанні, щоб мати можливість функціонувати.

Рисунок 1: Різні типи конденсаторів.

Наприклад, наші мінікомпоненти, телевізори та мультимедійні пристрої використовують постійний струм для своїх функцій, але побутові та промислові струми, які дістаються до наших будинків і робочих місць, - це змінні струми. Як це можливо?.

Малюнок 2: Електрична схема побутового обладнання

Відповідь на це питання знаходиться в межах одного електричного та електронного обладнання: конденсаторів (або конденсаторів). Ці компоненти дозволяють, серед іншого, зробити можливим випрямлення змінного струму на постійний струм, а їх функціональність залежить від геометрії або форми конденсатора та діелектричного матеріалу, присутнього в його конструкції.

Діелектричні матеріали відіграють важливу роль, оскільки вони дозволяють пластинам, що складають конденсатор, дуже близько, не торкаючись, і повністю покривають простір між зазначеними пластинами діелектричним матеріалом для підвищення функціональності конденсаторів.

Походження діелектричної постійної: конденсатори та діелектричні матеріали

Значення цієї константи є експериментальним результатом, тобто воно походить від експериментів, проведених з різними типами ізоляційних матеріалів і в результаті чого відбувається одне і те ж явище: підвищення функціональності або ефективності конденсатора.

Конденсатори пов'язані з фізичною величиною, яка називається ємністю "С", яка визначає величину електричного заряду "Q", яку конденсатор може зберігати, подаючи певну різницю потенціалів "∆V" (рівняння 1).

(Рівняння 1)

Експерименти зробили висновок, що, повністю покриваючи простір між пластинами конденсатора діелектричним матеріалом, конденсатори збільшують свою ємність у коефіцієнті κ, який називають "діелектричною постійною". (Рівняння 2).

(Рівняння 2)

Ілюстрація плоскої ємності конденсатора плоскої паралельної пластини C, зарядженої і, отже, з рівномірним електричним полем, спрямованим вниз між її пластинами, представлена ​​на малюнку 3.

Вгорі рисунка є конденсатор з вакуумом між його пластинами (вакуум - проникність ∊0). Потім в нижній частині подається той же конденсатор з ємністю C '> C, з діелектриком між його пластинами (проникності ∊).

Рисунок 3: План-паралельний пластинковий конденсатор без діелектрика і з діелектриком.

Фігероа (2005) перераховує три функції діелектричних матеріалів у конденсаторах:

1. Вони дозволяють жорстку і компактну конструкцію з невеликим зазором між струмопровідними плитами.
2. Вони дозволяють подавати більш високу напругу, не викликаючи розряду (електричне поле пробою більше, ніж повітря)
3. Збільшує ємність конденсатора на коефіцієнт κ, відомий як діелектрична константа матеріалу.

Таким чином, автор вказує, що κ "називається діелектричною постійною матеріалу і вимірює реакцію його молекулярних диполей на зовнішнє магнітне поле". Тобто, діелектрична константа тим вище, чим вище полярність молекул матеріалу.

Атомні моделі діелектриків

Взагалі матеріали мають специфічні молекулярні композиції, які залежать від самих молекул та елементів, що їх складають у кожному матеріалі. Серед молекулярних композицій, що втручаються в діелектричні процеси, є так звані "полярні молекули" або поляризовані.

У полярних молекулах відбувається розділення між середнім положенням негативних зарядів і середнім положенням позитивних зарядів, внаслідок чого вони мають електричні полюси.

Наприклад, молекула води (мал. 4) постійно поляризована, оскільки центр розподілу позитивного заряду знаходиться посередині між атомами водню. (Serway and Jewett, 2005).

Малюнок 4: Розподіл молекули води.

У той час як у молекулі BeH2 (гідрид берилію - мал. 5) лінійна молекула поляризації відсутня, оскільки центр розподілу позитивних зарядів (водню) знаходиться в центрі розподілу негативних зарядів (берилій) , скасовуючи будь-яку поляризацію, яка може існувати. Це неполярна молекула.

Фіг.5: Розподіл молекули гідриду берилію.

У тому ж ключі, коли діелектричний матеріал знаходиться в присутності електричного поля Е, молекули будуть вирівнюватися як функція електричного поля, викликаючи щільність поверхневого заряду на гранях діелектрика, що стикаються з пластинами конденсатора.

Завдяки цьому явищу електричне поле всередині діелектрика менше, ніж зовнішнє електричне поле, що генерується конденсатором. Наступна ілюстрація (мал. 6) показує електрично поляризований діелектрик в плоско-паралельному пластинковому конденсаторі.

Важливо зауважити, що це явище спричиняється легше в полярних матеріалах, ніж у неполярних, через існування поляризованих молекул, які ефективніше взаємодіють у присутності електричного поля. Хоча сама наявність електричного поля викликає поляризацію неполярних молекул, внаслідок чого відбувається таке ж явище, як і у полярних матеріалів.

Малюнок 6: Моделі поляризованих молекул діелектрика за рахунок електричного поля, що виникли в зарядженому конденсаторі.

Діелектричні постійні значення в деяких матеріалах

Залежно від функціональності, економії та кращої корисності конденсаторів, для оптимізації їх роботи використовуються різні ізоляційні матеріали.

Такі матеріали, як папір, коштують дуже недорого, хоча вони можуть вийти з ладу при високій температурі або при контакті з водою. Хоча гума, вона все ще пружна, але більш стійка. У нас також є порцеляна, яка чинить опір високим температурам, хоча він не може адаптуватися до різних форм, якщо потрібно.

Нижче наведена таблиця, де вказана діелектрична константа деяких матеріалів, де діелектричні константи не мають одиниць (вони безрозмірні):

Таблиця 1: Діелектричні константи деяких матеріалів при кімнатній температурі.

Деякі застосування діелектричних матеріалів

Діелектричні матеріали важливі у глобальному суспільстві з широким спектром застосувань - від наземного та супутникового зв’язку, включаючи радіо програмне забезпечення, GPS, моніторинг навколишнього середовища через супутники. (Себастьян, 2010)

Крім того, Фєдзіушко та інші (2002) описують значення діелектричних матеріалів для розвитку бездротових технологій, у тому числі для стільникової телефонії. У своїй публікації вони описують актуальність цього виду матеріалів у мініатюризації обладнання.

У такому порядку ідей сучасність породила великий попит на матеріали з високими та низькими діелектричними константами для розвитку технологічного життя. Ці матеріали є найважливішими компонентами Інтернет-пристроїв з точки зору функцій зберігання даних, зв'язку та виконання передачі даних. (Налва, 1999).

Список літератури

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Діелектричні матеріали, прилади та схеми. IEEE Угоди з НВЧ теорії та методики, 50 (3), 706-720.
2. Фігероа, Д. (2001). Електрична взаємодія. Каракас, Венесуела: Мігель Анхель Гарсія і син, SRL.
3. Джанколі, Д. (2006). ФІЗИЧНИЙ. Починаючи з додатків. Мексика: ОСВІТНІСТЬ ОСОБИ.
4. Nalwa, HS (Ed.). (1999). Довідник з низько-високих діелектричних постійних матеріалів та їх застосування, двотомний набір. Ельзев'є.
5. Себастьян, МТ (2010). Діелектричні матеріали для бездротового зв'язку. Ельзев'є.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Фізика для науки та техніки. Мексика: Міжнародний Thomson Editores.