KOJA JE DIELEKTRIČNA KONSTANTA? - FIZIČKA - 2024

Dielektrična konstanta je vrijednost povezana s materijalom koji se nalazi između ploče kondenzatora (ili kondenzator - slici 1), a koji omogućava optimizaciju i povećava svoju funkciju. (Giancoli, 2006). Dielektrik je sinonim za električni izolator, odnosno to su materijali koji ne dopuštaju prolazak električne struje.

Ova je vrijednost važna iz mnogih aspekata, jer je svima zajedničko korištenje električne i elektroničke opreme u našim domovima, rekreacijskim prostorima, obrazovnim ili radnim stanicama, ali sigurno nismo svjesni da komplicirani procesi koji se događaju u ovoj opremi mogu funkcionirati.

Slika 1: Različite vrste kondenzatora.

Na primjer, naši minikomponenti, televizori i multimedijski uređaji koriste istosmjernu struju za svoje funkcije, ali domaća i industrijska struja koja doseže do naših domova i radnih mjesta su naizmjenične struje. Kako je ovo moguće?.

Slika 2: Električni krug kućne opreme

Odgovor na ovo pitanje nalazi se unutar iste električne i elektroničke opreme: kondenzatori (ili kondenzatori). Te komponente omogućuju, između ostalog, mogućnost ispravljanja izmjenične struje na istosmjernu struju, a njihova funkcionalnost ovisi o geometriji ili obliku kondenzatora i dielektričnom materijalu koji je prisutan u njegovoj izvedbi.

Dielektrični materijali igraju važnu ulogu, jer omogućuju međusobno približavanje ploča koje čine kondenzator, bez dodira, i potpuno prekrivaju prostor između navedenih ploča dielektričnim materijalom kako bi povećali funkcionalnost kondenzatora.

Podrijetlo dielektrične konstante: kondenzatori i dielektrični materijali

Vrijednost ove konstante je eksperimentalni rezultat, to jest dolazi iz pokusa izvedenih s različitim vrstama izolacijskih materijala i rezultirajući istim fenomenom: povećanjem funkcionalnosti ili učinkovitosti kondenzatora.

Kondenzatori su povezani s fizikalnom veličinom koja se naziva kapacitivnost "C", koja definira količinu električnog naboja "Q" koju kondenzator može pohraniti davanjem određene razlike potencijala "∆V" (jednadžba 1).

(Jednadžba 1)

Eksperimenti su zaključili da potpuno pokrivajući prostor između ploča kondenzatora dielektričnim materijalom kondenzatori povećavaju svoj kapacitet faktorom κ, nazvanim "dielektrična konstanta". (Jednadžba 2).

(Jednadžba 2)

Slika ravnog paralelnog kondenzatora kondenzatora C nabijenog i posljedično s jednoličnim električnim poljem usmjerenim prema dolje između njegovih ploča prikazan je na slici 3.

Na vrhu slike je kondenzator s vakuumom između njegovih ploča (vakuum - propusnost ∊0). Zatim se na dnu nalazi isti kondenzator s kapacitetom C '> C, s dielektrikom između njegovih ploča (propusnosti ∊).

Slika 3: Plan-paralelni pločasti kondenzator bez dielektrika i s dielektrikom.

Figueroa (2005), nabraja tri funkcije za dielektrične materijale u kondenzatorima:

1. Omogućuju čvrstu i kompaktnu konstrukciju s malim razmakom između vodljivih ploča.
2. Omogućuju primjenu većeg napona bez izazivanja pražnjenja (probojno električno polje veće je od zraka)
3. Povećava kapacitet kondenzatora za faktor κ poznat kao dielektrična konstanta materijala.

Stoga autor navodi da se κ "naziva dielektrična konstanta materijala i mjeri odgovor njegovih molekularnih dipola na vanjsko magnetsko polje". Odnosno, što je dielektrična konstanta veća što je veća polarnost molekula materijala.

Atomski modeli dielektrika

Općenito, materijali imaju specifične molekularne rasporede koji ovise o samim molekulama i elementima koji ih čine u svakom materijalu. Među molekularnim aranžmanima koji interveniraju u dielektričnim procesima je i takozvani "polarni molekuli" ili polarizirani.

U polarnim molekulama postoji razdvajanje između srednjeg položaja negativnih naboja i srednjeg položaja pozitivnih naboja, zbog čega oni imaju električne polove.

Na primjer, molekula vode (slika 4) je trajno polarizirana jer je središte distribucije pozitivnog naboja na sredini između atoma vodika. (Serway i Jewett, 2005).

Slika 4: Raspodjela molekula vode.

Dok je u molekuli BeH2 (berilijev hidrid - slika 5) linearna molekula, nema polarizacije, budući da je središte raspodjele pozitivnih naboja (vodika) u središtu raspodjele negativnih naboja (berilij), poništavajući bilo kakvu polarizaciju koja može postojati. Ovo je nepolarna molekula.

Slika 5: Distribucija molekule berilij hidrida.

U istoj veni, kada je dielektrični materijal u prisustvu električnog polja E, molekule će se poravnati kao funkcija električnog polja, uzrokujući gustoću naboja površine na licima dielektrika koja su okrenuta prema kondenzatorskim pločama.

Zbog ovog fenomena, električno polje unutar dielektrika je manje od vanjskog električnog polja koje stvara kondenzator. Sljedeća slika (slika 6) prikazuje električno polarizirani dielektric unutar kondenzatora ploče s paralelnim pločama.

Važno je napomenuti da se ovaj fenomen lakše postiže u polarnim materijalima nego u nepolarnim, zbog postojanja polariziranih molekula koje učinkovitije djeluju u prisutnosti električnog polja. Iako samo prisustvo električnog polja uzrokuje polarizaciju nepolarnih molekula, rezultirajući istim fenomenom kao i kod polarnih materijala.

Slika 6: Modeli polariziranih molekula dielektričnog električnog polja nastalog u nabijenom kondenzatoru.

Dielektrične konstantne vrijednosti u nekim materijalima

Ovisno o funkcionalnosti, ekonomičnosti i krajnjoj upotrebi kondenzatora, za optimiziranje njihovih svojstava koriste se različiti izolacijski materijali.

Materijali poput papira vrlo su jeftini, iako mogu pasti na visokim temperaturama ili u dodiru s vodom. Iako je guma, ona je i dalje gipka, ali otpornija. Imamo i porculan koji odolijeva visokim temperaturama iako se po potrebi ne može prilagoditi različitim oblicima.

Ispod je tablica u kojoj je navedena dielektrična konstanta nekih materijala, gdje dielektrične konstante nemaju jedinice (one su bez dimenzija):

Tablica 1: Dielektrične konstante nekih materijala na sobnoj temperaturi.

Neke primjene dielektričnih materijala

Dielektrični materijali važni su u globalnom društvu s širokim rasponom primjena, od zemaljskih i satelitskih komunikacija, uključujući radio softver, GPS, nadgledanje okoliša preko satelita, između ostalog. (Sebastian, 2010)

Nadalje, Fiedziuszko i ostali (2002) opisuju važnost dielektričnih materijala za razvoj bežične tehnologije, uključujući i staničnu telefoniju. U svojoj publikaciji oni opisuju važnost ove vrste materijala u minijaturizaciji opreme.

U ovom redoslijedu ideja, suvremenost je stvorila veliku potražnju za materijalima s visokim i niskim dielektričnim konstantama za razvoj tehnološkog života. Ovi su materijali bitne komponente internetskih uređaja u smislu funkcija pohrane podataka, komunikacije i izvedbe prijenosa podataka. (Nalwa, 1999).

Reference

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Dielektrični materijali, uređaji i sklopovi. IEEE Transakcije u mikrovalnoj teoriji i tehnikama, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Električna interakcija. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García and Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FIZIKALNA. Počevši s aplikacijama. Meksiko: PEARSON EDUCACION.
4. Nalwa, HS (ur.). (1999). Priručnik s nisko i visokim dielektričnim konstantnim materijalima i njihova primjena, dvosmjerni set. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Dielektrični materijali za bežičnu komunikaciju. Elsevier.
6. Serway, R. i Jewett, J. (2005). Fizika za znanost i inženjerstvo. Meksiko: Međunarodni Thomson Editores.