KĀDA IR DIELEKTRISKĀ KONSTANTE? - FIZISKĀ - 2025

Dielektriskā konstante ir vērtības, kas saistītas ar materiālu, kas ir novietota starp plāksnēm kondensators (vai kondensators - 1. attēlā), un kas ļauj optimizēt un palielināt savu funkciju. (Giancoli, 2006). Dielektriķis ir sinonīms elektriskajam izolatoram, tas ir, tie ir materiāli, kas nepieļauj elektriskās strāvas pāreju.

Šī vērtība ir svarīga no daudziem aspektiem, jo ​​visiem ir ierasts izmantot elektriskās un elektroniskās ierīces savās mājās, atpūtas vietās, mācību vai darba vietās, taču mēs noteikti neapzināmies sarežģītos procesus, kas šajā iekārtā notiek, lai darbotos.

1. attēls. Dažāda veida kondensatori.

Piemēram, mūsu minikomponenti, televizori un multimediju ierīces savām funkcijām izmanto līdzstrāvu, bet sadzīves un rūpniecības strāvas, kas nonāk mūsu mājās un darba vietās, ir mainīgas. Kā tas ir iespējams?.

2. attēls. Sadzīves tehnikas elektriskā ķēde

Atbilde uz šo jautājumu ir pašā elektriskajā un elektroniskajā iekārtā: kondensatoros (vai kondensatoros). Šie komponenti, cita starpā, ļauj veikt maiņstrāvas izlīdzināšanu līdzstrāvai, un to funkcionalitāte ir atkarīga no kondensatora un tā konstrukcijā esošā dielektriskā materiāla ģeometrijas vai formas.

Dielektriskiem materiāliem ir būtiska loma, jo tie ļauj plāksnēm, kas veido kondensatoru, būt ļoti tuvu, nepieskaroties un pilnībā pārklāj telpu starp minētajām plāksnēm ar dielektrisko materiālu, lai palielinātu kondensatoru funkcionalitāti.

Dielektriskās konstantes izcelsme: kondensatori un dielektriski materiāli

Šīs konstantes vērtība ir eksperimentāls rezultāts, tas ir, tas nāk no eksperimentiem, kas veikti ar dažāda veida izolācijas materiāliem, un rezultātā rodas viena un tā pati parādība: palielināta kondensatora funkcionalitāte vai efektivitāte.

Kondensatori ir saistīti ar fizisko daudzumu, ko sauc par kapacitāti "C", kas nosaka elektriskā lādiņa "Q" daudzumu, ko kondensators var uzglabāt, piegādājot noteiktu potenciālu starpību "∆V" (1. vienādojums).

(1. vienādojums)

Eksperimentos secināts, ka, pilnībā pārklājot telpu starp kondensatora plāksnēm ar dielektrisku materiālu, kondensatori palielina savu kapacitāti ar koeficientu κ, ko sauc par "dielektrisko konstanti". (2. vienādojums).

(2. vienādojums)

Plakanas paralēlās plāksnes kapacitātes C kondensatora ilustrācija un līdz ar to ar vienmērīgu elektrisko lauku, kas vērsta uz leju starp tā plāksnēm, parādīts 3. attēlā.

Attēla augšpusē ir kondensators ar vakuumu starp tā plāksnēm (vakuuma caurlaidība ∊0). Tad apakšā tiek parādīts tas pats kondensators ar kapacitāti C '> C, ar dielektriku starp tā plāksnēm (caurlaidības ∊).

3. attēls: plāns-paralēlais plāksnes kondensators bez dielektriskā un ar dielektrisko.

Figueroa (2005) uzskaita trīs funkcijas dielektriskiem materiāliem kondensatoros:

1. Tie ļauj izveidot stingru un kompaktu konstrukciju ar nelielu atstarpi starp vadošajām plāksnēm.
2. Tie ļauj pielietot augstāku spriegumu, neizraisot izlādi (sabrukšanas elektriskais lauks ir lielāks nekā gaisam)
3. Palielina kondensatora kapacitāti par koeficientu κ, ko sauc par materiāla dielektrisko konstanti.

Tādējādi autors norāda, ka κ "sauc par materiāla dielektrisko konstanti un mēra tā molekulāro dipolu reakciju uz ārēju magnētisko lauku". Tas ir, jo dielektriskā konstante ir augstāka, jo augstāka ir materiāla molekulu polaritāte.

Dielektriķu atomu modeļi

Parasti materiāliem ir specifiski molekulārie izkārtojumi, kas ir atkarīgi no pašām molekulām un elementiem, kas tos veido katrā materiālā. Starp molekulārajiem izkārtojumiem, kas iejaucas dielektriskos procesos, ir tā sauktās "polārās molekulas" vai polarizētas.

Polārajās molekulās ir nodalījums starp negatīvo lādiņu vidējo stāvokli un pozitīvo lādiņu vidējo stāvokli, izraisot to elektrisko polu veidošanos.

Piemēram, ūdens molekula (4. attēls) ir pastāvīgi polarizēta, jo pozitīvā lādiņa sadalījuma centrs atrodas pa vidu starp ūdeņraža atomiem. (Serway and Jewett, 2005).

4. attēls. Ūdens molekulas sadalījums.

Kamēr BeH2 molekulā (berilija hidrīds - 5. attēls), lineārā molekulā, nav polarizācijas, jo pozitīvo lādiņu (ūdeņraža) sadalījuma centrs atrodas negatīvo lādiņu (berilija) sadalījuma centrā. , atceļot visu iespējamo polarizāciju. Šī ir nepolāra molekula.

5. attēls: berilija hidrīda molekulas sadalījums.

Tādā pašā veidā, kad dielektrisks materiāls atrodas elektriskā lauka E klātbūtnē, molekulas izlīdzināsies kā elektriskā lauka funkcija, izraisot virsmas lādiņa blīvumu dielektriķa sejās, kas ir vērstas pret kondensatora plāksnēm.

Sakarā ar šo parādību elektriskais lauks dielektriskā iekšpusē ir mazāks par ārējo elektrisko lauku, ko rada kondensators. Nākamajā ilustrācijā (6. attēls) parādīts elektriski polarizēts dielektriķis plaknes paralēlās plāksnes kondensatorā.

Svarīgi atzīmēt, ka šīs parādības rezultātā polārie materiāli rodas vieglāk nekā nepolārajos, jo pastāv polarizētas molekulas, kuras mijiedarbojas efektīvāk elektriskā lauka klātbūtnē. Kaut arī tikai elektriskā lauka klātbūtne izraisa nepolāru molekulu polarizāciju, kā rezultātā rodas tāda pati parādība kā ar polārajiem materiāliem.

6. attēls. Dielektriķa polarizēto molekulu modeļi elektriskā lauka dēļ, kas rodas uzlādētajā kondensatorā.

Dielektriskās konstantes vērtības dažos materiālos

Atkarībā no kondensatoru funkcionalitātes, ekonomiskuma un maksimālās lietderības, to darbības optimizēšanai tiek izmantoti dažādi izolācijas materiāli.

Materiāli, piemēram, papīrs, ir ļoti lēti, lai gan tie var sabojāties augstā temperatūrā vai saskarē ar ūdeni. Kaut arī gumija, tā joprojām ir kaļama, bet izturīgāka. Mums ir arī porcelāns, kas iztur augstu temperatūru, kaut arī tas nevar pielāgoties dažādām formām pēc vajadzības.

Zemāk ir tabula, kurā norādīta dažu materiālu dielektriskā konstante, kur dielektriskajām konstantēm nav vienību (tās ir bezizmēra):

1. tabula: Dažu materiālu dielektriskās konstantes istabas temperatūrā.

Daži dielektrisko materiālu pielietojumi

Dielektriskie materiāli ir svarīgi pasaules sabiedrībā ar plašu pielietojumu, sākot no zemes un satelīta sakariem, ieskaitot radio programmatūru, GPS, vides uzraudzību caur satelītiem. (Sebastians, 2010)

Turklāt Fiedziuszko un citi (2002) apraksta dielektrisko materiālu nozīmi bezvadu tehnoloģiju attīstībā, ieskaitot mobilo telefoniju. Savā publikācijā viņi apraksta šāda veida materiālu piemērotību aprīkojuma miniatūrizācijai.

Šajā ideju secībā mūsdienīgums ir radījis lielu pieprasījumu pēc materiāliem ar augstu un zemu dielektrisko konstantu tehnoloģiskās dzīves attīstībai. Šie materiāli ir svarīgas interneta ierīču sastāvdaļas datu glabāšanas funkciju, sakaru un datu pārraides veiktspējas ziņā. (Nalwa, 1999).

Atsauces

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Dielektriski materiāli, ierīces un shēmas. IEEE darījumi par mikroviļņu teoriju un metodēm, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Elektriskā mijiedarbība. Karakasa, Venecuēla: Migels Eņģelis Garsija un Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FIZISKĀ. Sākot ar pieteikumiem. Meksika: PEARSON IZGLĪTĪBA.
4. Nalwa, HS (Red.). (1999). Rokasgrāmata par zemu un augstu dielektrisko nemainīgo materiālu un to pielietojumu, divu tilpumu komplekts. Elsevier.
5. Sebastians, MT (2010). Dielektriski materiāli bezvadu sakariem. Elsevier.
6. Servejs, R. un Jewett, J. (2005). Fizika zinātnei un inženierijai. Meksika: Starptautiskais Thomson Editores.