HVAD ER DEN DIELEKTRISKE KONSTANT? - FYSISK - 2025

Den dielektriske konstant er en værdi, der er forbundet med det materiale, der er placeret mellem pladerne i en kondensator (eller kondensator - figur 1), og som muliggør optimering og forøgelse af dens funktion. (Giancoli, 2006). Dielectric er synonymt med elektrisk isolator, dvs. de er materialer, der ikke tillader passage af elektrisk strøm.

Denne værdi er vigtig fra mange aspekter, da det er almindeligt for alle at bruge elektrisk og elektronisk udstyr i vores hjem, rekreative rum, uddannelses- eller arbejdsstationer, men vi er bestemt ikke opmærksomme på de komplicerede processer, der forekommer i dette udstyr for at kunne fungere.

Figur 1: Forskellige typer kondensatorer.

For eksempel bruger vores minikomponenter, tv-apparater og multimedieenheder jævnstrøm til deres funktioner, men de indenlandske og industrielle strømme, der når vores hjem og arbejdspladser, skifter strøm. Hvordan er det muligt?.

Figur 2: Elektrisk kredsløb til husholdningsudstyr

Svaret på dette spørgsmål er inden for det samme elektriske og elektroniske udstyr: kondensatorer (eller kondensatorer). Disse komponenter tillader blandt andet at muliggøre korrektion af vekselstrøm til jævnstrøm, og deres funktionalitet afhænger af geometrien eller formen på kondensatoren og det dielektriske materiale, der er til stede i dets design.

Dielektriske materialer spiller en vigtig rolle, da de tillader de plader, der udgør kondensatoren, at være meget tæt uden at røre ved og dækker rummet mellem nævnte plader fuldstændigt med dielektrisk materiale for at øge kondensatorernes funktionalitet.

Den dielektriske konstanters oprindelse: kondensatorer og dielektriske materialer

Værdien af ​​denne konstant er et eksperimentelt resultat, det vil sige, det kommer fra eksperimenterne udført med forskellige typer isoleringsmaterialer og resulterer i det samme fænomen: øget funktionalitet eller effektivitet af en kondensator.

Kondensatorer er forbundet med en fysisk mængde kaldet kapacitans "C", der definerer mængden af ​​elektrisk ladning "Q", som en kondensator kan lagre ved at levere en bestemt potentialeforskel "∆V" (Ligning 1).

(Ligning 1)

Eksperimenter har konkluderet, at kondensatorerne øger deres kapacitans med en faktor K, kaldet "dielektrisk konstant" ved at dække rummet mellem pladerne i en kondensator med et dielektrisk materiale fuldstændigt. (Ligning 2).

(Ligning 2)

En illustration af en flad parallel pladekondensatorkapacitet C ladet og følgelig med et ensartet elektrisk felt rettet nedad mellem dets plader er vist i figur 3.

Øverst på figuren er kondensatoren med et vakuum mellem dets plader (vakuum - permittivitet ∊0). Derefter i bunden præsenteres den samme kondensator med kapacitet C '> C med en dielektrik mellem dens plader (med permittivitet ∊).

Figur 3: Plan-parallel pladekondensator uden dielektrisk og med dielektrisk.

Figueroa (2005) viser tre funktioner til dielektriske materialer i kondensatorer:

1. De tillader en stiv og kompakt konstruktion med et lille mellemrum mellem de ledende plader.
2. De tillader en højere spænding at blive påført uden at forårsage en udladning (det elektriske felt for nedbrydning er større end luft)
3. Øger kondensatorens kapacitet med en faktor k, der er kendt som materialets dielektriske konstant.

Forfatteren angiver således, at κ "kaldes materialets dielektriske konstant og måler responsen af ​​dets molekylære dipoler på et eksternt magnetfelt". Det vil sige, at den dielektriske konstant er højere, jo højere polaritet i materialets molekyler.

Atomiske modeller for dielektrik

Generelt har materialer specifikke molekylarrangementer, der afhænger af molekylerne i sig selv og de elementer, der udgør dem i hvert materiale. Blandt de molekylære arrangementer, der griber ind i dielektriske processer, er det for de såkaldte "polære molekyler" eller polariserede.

I polære molekyler er der en adskillelse mellem den midterste position af de negative ladninger og den midterste position af de positive ladninger, hvilket får dem til at have elektriske poler.

F.eks. Er vandmolekylet (figur 4) permanent polariseret, fordi midten af ​​den positive ladningsfordeling er midtvejs mellem hydrogenatomerne. (Serway og Jewett, 2005).

Figur 4: Fordeling af vandmolekylet.

I BeH2-molekylet (berylliumhydrid - figur 5), et lineært molekyle, er der ingen polarisering, da fordelingscentret for positive ladninger (hydrogener) er i fordelingscentret for negative ladninger (beryllium), annullering af enhver mulig polarisering. Dette er et ikke-polært molekyle.

Figur 5: Fordeling af et berylliumhydridmolekyle.

På samme måde, når et dielektrisk materiale er i nærværelse af et elektrisk felt E, vil molekylerne indrette sig som en funktion af det elektriske felt, hvilket forårsager en overfladeladningstæthed på fladerne på det dielektrikum, der vender mod kondensatorpladerne.

På grund af dette fænomen er det elektriske felt inde i dielektrikum mindre end det eksterne elektriske felt, der genereres af kondensatoren. Den følgende illustration (figur 6) viser en elektrisk polariseret dielektrikum inden i en plan, parallel parallel pladekondensator.

Det er vigtigt at bemærke, at dette fænomen lettere resulterer i polære materialer end i ikke-polære, på grund af eksistensen af ​​polariserede molekyler, der interagerer mere effektivt i nærværelse af det elektriske felt. Skønt den blotte tilstedeværelse af det elektriske felt forårsager polarisering af ikke-polære molekyler, hvilket resulterer i det samme fænomen som med polære materialer.

Figur 6: Modeller af de polariserede molekyler i et dielektrikum på grund af det elektriske felt stammer fra den ladede kondensator.

Dielektriske konstante værdier i nogle materialer

Afhængig af kondensatorernes funktionalitet, økonomi og ultimative anvendelighed anvendes forskellige isoleringsmaterialer til at optimere deres ydelse.

Materialer som papir er meget billige, selvom de kan svigte ved høje temperaturer eller i kontakt med vand. Mens det er gummi, er det stadig formbart, men mere modstandsdygtigt. Vi har også porcelæn, der modstår høje temperaturer, selvom det ikke kan tilpasses til forskellige former efter behov.

Nedenfor er en tabel, hvor den dielektriske konstant for nogle materialer er specificeret, hvor de dielektriske konstanter ikke har enheder (de er dimensionelle):

Tabel 1: Dielektriske konstanter af nogle materialer ved stuetemperatur.

Nogle anvendelser af dielektriske materialer

Dielektriske materialer er vigtige i det globale samfund med en bred vifte af applikationer, fra jordbaseret og satellitkommunikation, herunder radiosoftware, GPS, miljøovervågning gennem satellitter, blandt andre. (Sebastian, 2010)

Desuden beskriver Fiedziuszko m.fl. (2002) betydningen af ​​dielektriske materialer for udviklingen af ​​trådløs teknologi, herunder for mobiltelefoni. I deres publikation beskriver de relevansen af ​​denne type materialer i miniaturiseringen af ​​udstyr.

I denne rækkefølge af ideer har moderniteten skabt en stor efterspørgsel efter materialer med høje og lave dielektriske konstanter til udvikling af et teknologisk liv. Disse materialer er essentielle komponenter til Internet-enheder med hensyn til datalagringsfunktioner, kommunikation og ydelsen af ​​datatransmission. (Nalwa, 1999).

Referencer

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Dielektriske materialer, enheder og kredsløb. IEEE-transaktioner på mikrobølgeteori og -teknikker, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Elektrisk interaktion. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García og Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FYSISK. Begyndende med applikationer. Mexico: PEARSON UDDANNELSE.
4. Nalwa, HS (red.). (1999). Håndbog med lave og høje dielektriske konstante materialer og deres anvendelser, to-volumen sæt. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Dielektriske materialer til trådløs kommunikation. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Fysik til videnskab og teknik. Mexico: International Thomson Editores.