HVA ER DEN DIELEKTRISKE KONSTANTEN? - FYSISK - 2026

Den dielektriske konstanten er en verdi assosiert med materialet som er plassert mellom platene til en kondensator (eller kondensator - figur 1), og som gjør det mulig å optimalisere og øke dens funksjon. (Giancoli, 2006). Dielectric er synonymt med elektrisk isolator, det vil si at de er materialer som ikke tillater passering av elektrisk strøm.

Denne verdien er viktig fra mange sider, siden det er vanlig at alle bruker elektrisk og elektronisk utstyr i våre hjem, rekreasjonsområder, utdannings- eller arbeidsstasjoner, men vi er helt sikkert ikke klar over de kompliserte prosessene som skjer i dette utstyret for å fungere.

Figur 1: Ulike typer kondensatorer.

For eksempel bruker minikomponenter, TV-apparater og multimedieenheter likestrøm for funksjonene sine, men de innenlandske og industrielle strømningene som når hjem og arbeidsplasser er vekslende strømmer. Hvordan er dette mulig?.

Figur 2: Elektrisk krets for husholdningsutstyr

Svaret på dette spørsmålet er innenfor det samme elektriske og elektroniske utstyret: kondensatorer (eller kondensatorer). Disse komponentene tillater blant annet å muliggjøre utbedring av vekselstrøm til likestrøm og deres funksjonalitet avhenger av geometrien eller formen til kondensatoren og det dielektriske materialet som er til stede i dens design.

Dielektriske materialer spiller en viktig rolle, ettersom de lar platene som utgjør kondensatoren bringes veldig tett sammen, uten å berøre, og dekker rommet mellom nevnte plater helt med dielektrisk materiale for å øke funksjonaliteten til kondensatorene.

Opprinnelsen til den dielektriske konstanten: kondensatorer og dielektriske materialer

Verdien av denne konstanten er et eksperimentelt resultat, det vil si at det kommer fra eksperimentene utført med forskjellige typer isolasjonsmaterialer og resulterer i det samme fenomenet: økt funksjonalitet eller effektivitet for en kondensator.

Kondensatorer er assosiert med en fysisk mengde kalt kapasitans "C", som definerer mengden elektrisk ladning "Q" som en kondensator kan lagre ved å tilføre en viss potensialforskjell "∆V" (ligning 1).

(Ligning 1)

Eksperimenter har konkludert med at kondensatorene øker kapasitansen med en faktor K, kalt "dielektrisk konstant" ved å fullstendig dekke rommet mellom platene til en kondensator med et dielektrisk materiale. (Ligning 2).

(Ligning 2)

Fig. 3 viser en illustrasjon av en flat parallellplatekondensator C ladet og følgelig med et jevnt elektrisk felt rettet nedover mellom platene.

Øverst på figuren er kondensatoren med et vakuum mellom platene (vakuum - permittivitet ∊0). Så, i bunnen, presenteres den samme kondensatoren med kapasitans C '> C, med et dielektrikum mellom platene (med permittivitet ∊).

Figur 3: Plan-parallell platekondensator uten dielektrisk og med dielektrisk.

Figueroa (2005) lister opp tre funksjoner for dielektriske materialer i kondensatorer:

1. De tillater en stiv og kompakt konstruksjon med et lite gap mellom ledende plater.
2. De lar en høyere spenning tilføres uten å forårsake utladning (det elektriske nedbrytningsfeltet er større enn luftens)
3. Øker kondensatorens kapasitans med en faktor k kjent som materialets dielektriske konstant.

Dermed indikerer forfatteren at κ "kalles materialets dielektriske konstant og måler responsen til dets molekylære dipoler på et eksternt magnetfelt". Det vil si at den dielektriske konstanten er høyere jo høyere polariteten i materialets molekyler.

Atomiske modeller for dielektrikk

Generelt har materialer spesifikke molekylarrangementer som er avhengige av molekylene i seg selv og elementene som utgjør dem i hvert materiale. Blant molekylarrangementene som griper inn i dielektriske prosesser, er det for de såkalte "polare molekylene" eller polariserte.

I polare molekyler er det en skille mellom midtposisjonen til de negative ladningene og midtposisjonen til de positive ladningene, noe som får dem til å ha elektriske poler.

For eksempel er vannmolekylet (figur 4) permanent polarisert fordi sentrum for den positive ladningsfordelingen er midt mellom hydrogenatomene. (Serway og Jewett, 2005).

Figur 4: Fordeling av vannmolekylet.

Mens det er i BeH2-molekylet (berylliumhydrid - figur 5), et lineært molekyl, er det ingen polarisering, siden fordelingssenteret for positive ladninger (hydrogeler) er i fordelingssenteret for negative ladninger (beryllium) , avbryter enhver polarisering som kan eksistere. Dette er et ikke-polært molekyl.

Figur 5: Distribusjon av et berylliumhydridmolekyl.

På samme måte, når et dielektrisk materiale er i nærvær av et elektrisk felt E, vil molekylene samkjøre som en funksjon av det elektriske feltet, forårsake en overflateladningstetthet på flatene til dielektrikumet som vender mot kondensatorplatene.

På grunn av dette fenomenet er det elektriske feltet inne i dielektrikum mindre enn det eksterne elektriske feltet som genereres av kondensatoren. Illustrasjonen nedenfor (figur 6) viser et elektrisk polarisert dielektrikum i en plan parallell platekondensator.

Det er viktig å merke seg at dette fenomenet lettere resulterer i polare materialer enn i ikke-polare materialer, på grunn av eksistensen av polariserte molekyler som samvirker mer effektivt i nærvær av det elektriske feltet. Skjønt den blotte tilstedeværelsen av det elektriske feltet forårsaker polarisering av ikke-polare molekyler, noe som resulterer i det samme fenomenet som med polare materialer.

Figur 6: Modeller av de polariserte molekylene til et dielektrikum på grunn av det elektriske feltet oppsto i den ladede kondensatoren.

Dielektriske konstante verdier i noen materialer

Avhengig av funksjonaliteten, økonomien og den ultimate bruken av kondensatorene, brukes forskjellige isolasjonsmaterialer for å optimalisere ytelsen.

Materialer som papir er veldig billig, selv om de kan svikte ved høye temperaturer eller i kontakt med vann. Mens det er gummi, er det fremdeles formbart, men mer motstandsdyktig. Vi har også porselen, som motstår høye temperaturer, selv om det ikke kan tilpasse seg forskjellige former etter behov.

Nedenfor er en tabell der den dielektriske konstanten for noen materialer er spesifisert, der de dielektriske konstantene ikke har noen enheter (de er dimensjonsløse):

Tabell 1: Dielektriske konstanter av noen materialer ved romtemperatur.

Noen anvendelser av dielektriske materialer

Dielektriske materialer er viktige i det globale samfunnet med et bredt spekter av applikasjoner, fra land- og satellittkommunikasjon inkludert radioprogramvare, GPS, miljøovervåking gjennom satellitter, blant andre. (Sebastian, 2010)

Videre beskriver Fiedziuszko og andre (2002) viktigheten av dielektriske materialer for utvikling av trådløs teknologi, inkludert for mobiltelefoni. I publikasjonen beskriver de relevansen av denne typen materialer i miniatyriseringen av utstyr.

I denne ideenes rekkefølge har moderniteten skapt en stor etterspørsel etter materialer med høye og lave dielektriske konstanter for utvikling av et teknologisk liv. Disse materialene er viktige komponenter for Internett-enheter når det gjelder datalagringsfunksjoner, kommunikasjon og ytelsen til dataoverføringer. (Nalwa, 1999).

referanser

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Dielektriske materialer, enheter og kretsløp. IEEE-transaksjoner på mikrobølgeteori og -teknikker, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Elektrisk interaksjon. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García og Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FYSISK. Fra og med applikasjoner. Mexico: PEARSON UTDANNING.
4. Nalwa, HS (red.). (1999). Håndbok med lave og høye dielektriske konstante materialer og deres anvendelser, to-volumssett. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Dielektriske materialer for trådløs kommunikasjon. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Mexico: International Thomson Editores.