MI A DIELEKTROMOS ÁLLANDÓ? - FIZIKAI - 2025

A dielektromos állandó az anyaghoz társított érték, amelyet egy kondenzátor (vagy kondenzátor - 1. ábra) lapjai közé helyezünk, és amely lehetővé teszi annak működésének optimalizálását és növelését. (Giancoli, 2006). A dielektrikum az elektromos szigetelő szinonimája, azaz olyan anyagok, amelyek nem teszik lehetővé az elektromos áram áthaladását.

Ez az érték sok szempontból fontos, mivel mindenki számára gyakori az elektromos és elektronikus berendezések használata otthonunkban, szabadidős terekben, oktatási vagy munkaállomásokon, ám biztosan nem vagyunk tudatában a bonyolult folyamatoknak, amelyek ezen berendezés működése érdekében megtörténnek.

1. ábra: Különböző típusú kondenzátorok.

Például a minikomponenseink, a televíziók és a multimédiás eszközök működésükhöz egyenáramot használnak, de az otthonainkba és a munkahelyünkre érkező háztartási és ipari áramok váltakozó áramúak. Hogyan lehetséges ez?.

2. ábra: Háztartási berendezés elektromos áramköre

A kérdésre a válasz ugyanazon az elektromos és elektronikus berendezésen belül található: kondenzátorok (vagy kondenzátorok). Ezek az alkatrészek többek között lehetővé teszik a váltakozó áram egyenáramra történő helyesbítését, funkcionálisságuk pedig a kondenzátor geometriájától vagy alakjától, valamint a kialakításban lévő dielektromos anyagtól függ.

Az dielektromos anyagok fontos szerepet játszanak, mivel lehetővé teszik a kondenzátort alkotó lemezeket nagyon közel egymáshoz közelítéshez, anélkül, hogy érintkeznének, és teljesen lefedik az említett lemezek közötti teret dielektromos anyaggal a kondenzátorok funkcionalitásának növelése érdekében.

A dielektromos állandó eredete: kondenzátorok és dielektromos anyagok

Ennek az állandónak a értéke egy kísérleti eredmény, azaz a különféle típusú szigetelőanyagokkal végzett kísérletekből származik, és ugyanazt a jelenséget eredményezi: a kondenzátor megnövekedett funkcionalitása vagy hatékonysága.

A kondenzátorok egy "C" kapacitású fizikai mennyiséggel vannak összekapcsolva, amely meghatározza a "Q" elektromos töltés mennyiségét, amelyet egy kondenzátor képes tárolni egy bizonyos "∆V" potenciálkülönbség biztosításával (1. egyenlet).

(1. egyenlet)

A kísérletek azt a következtetést vonják le, hogy a kondenzátorok lemezek közötti terek dielektromos anyaggal való teljes lefedésével a kondenzátorok kapacitását κ tényezővel növelik, amelyet "dielektromos állandónak" hívnak. (2. egyenlet).

(2. egyenlet)

A 3. ábrán egy lapos, párhuzamos C kondenzátort látunk el, amely feltöltött és ennek következtében egyenletes elektromos mezővel lefelé irányul a lemezek között.

Az ábra tetején egy olyan kondenzátor van, amelyben a lemezek között vákuum van (vákuum - megengedhetőség ∊0). Ezután az alján ugyanazt a C '> C kapacitású kondenzátort mutatják be, amelynek lemezei között dielektrikum van (of engedélyező képesség).

3. ábra: Sík-párhuzamos lemezkondenzátor dielektrikum nélkül és dielektrikussal.

Figueroa (2005) három funkciót sorol fel a kondenzátorok dielektromos anyagaira:

1. Ezek lehetővé teszik a merev és kompakt felépítést, kis távolságra a vezető lapok között.
2. Lehetővé teszik egy nagyobb feszültség alkalmazását kisülés nélkül (a lebontási elektromos mező nagyobb, mint a levegő)
3. Növeli a kondenzátor kapacitását κ-tényezővel, amelyet az anyag dielektromos állandójaként ismertek.

Így a szerző kijelenti, hogy κ "az anyag dielektromos állandója, és molekuláris dipóljainak a külső mágneses mezőre adott válaszát méri". Vagyis a dielektromos állandó magasabb, annál nagyobb az anyagmolekulák polaritása.

Az dielektrikumok atommodellei

Általánosságban az anyagok sajátos molekuláris elrendezéssel bírnak, amelyek maguktól a molekuláktól és az egyes anyagok alkotó elemeitől függnek. A dielektromos folyamatokba beavatkozó molekuláris elrendezések között szerepel az úgynevezett "poláris molekulák" vagy polarizált molekulák.

A poláris molekulákban elválasztják a negatív töltések középső pozícióját és a pozitív töltések középső helyzetét, ami elektromos pólusok kialakulásához vezet.

Például a vízmolekula (4. ábra) állandóan polarizált, mivel a pozitív töltéseloszlás középpontja a hidrogénatomok között helyezkedik el. (Serway és Jewett, 2005).

4. ábra: A vízmolekula eloszlása.

Míg a BeH2 molekulában (berillium-hidrid - 5. ábra) egy lineáris molekulában nincs polarizáció, mivel a pozitív töltések (hidrogének) eloszlásának központja a negatív töltések (berillium) eloszlásának központjában helyezkedik el., megszakítja az esetleges polarizációt. Ez egy nem poláris molekula.

5. ábra: A berillium-hidrid molekula eloszlása.

Ugyanebben az irányban, amikor egy dielektromos anyag E elektromos mező jelenlétében van, a molekulák az elektromos mező függvényében igazodnak, és felületi töltési sűrűséget okoznak az dielektrikum azon felületein, amelyek a kondenzátorlemezek felé néznek.

Ennek a jelenségnek köszönhetően a dielektrikum belső elektromos mezője kevesebb, mint a kondenzátor által generált külső elektromos mező. A következő ábra (6. ábra) egy elektromosan polarizált dielektrikát mutat egy sík-párhuzamos lemezkondenzátoron belül.

Fontos megjegyezni, hogy ez a jelenség könnyebben eredményezi a poláris anyagokat, mint a nem poláros anyagokat, mivel léteznek olyan polarizált molekulák, amelyek hatékonyabban kölcsönhatásba lépnek az elektromos mező jelenlétében. Ennek ellenére pusztán az elektromos mező jelenléte okozza a nem poláros molekulák polarizációját, ugyanazt a jelenséget eredményezve, mint a poláris anyagok esetében.

6. ábra: A töltött kondenzátorból származó dielektrikum polarizált molekuláinak modellei az elektromos mező miatt.

Egyes anyagok dielektromos állandó értékei

A kondenzátorok funkcionalitásától, gazdaságosságától és végső hasznosságától függően különféle szigetelőanyagokat használnak teljesítményük optimalizálására.

Az olyan anyagok, mint a papír, nagyon olcsók, bár magas hőmérsékleten vagy vízzel érintkezve meghibásodhatnak. Kaucsuk ellenére még mindig alakítható, de ellenállóbb. Van porcelán is, amely ellenáll a magas hőmérsékletig, bár nem képes alkalmazkodni a különféle formákhoz szükség szerint.

Az alábbiakban egy táblázatot mutatunk, amelyben meghatározzuk egyes anyagok dielektromos állandóját, ahol a dielektromos állandóknak nincs egységeik (méretek nélküliek):

1. táblázat: Egyes anyagok dielektromos állandói szobahőmérsékleten.

Néhány dielektromos anyag felhasználása

Az dielektromos anyagok fontos szerepet játszanak a globális társadalomban, széles körű alkalmazásokkal, többek között a földi és műholdas kommunikációtól kezdve, beleértve a rádió szoftvert, a GPS-t, a környezeti megfigyelést műholdakon keresztül. (Sebastian, 2010)

Ezenkívül Fiedziuszko és mások (2002) leírják a dielektromos anyagok jelentőségét a vezeték nélküli technológia fejlődésében, ideértve a mobiltelefon-szolgáltatásokat is. Kiadásukban leírják az ilyen típusú anyagok relevanciáját a berendezések miniatürizálásában.

Ebben a gondolati sorrendben a modernitás nagy igényt generált a magas és alacsony dielektromos állandóságú anyagok számára a technológiai élet fejlesztése érdekében. Ezek az anyagok nélkülözhetetlen elemei az internetes eszközök számára az adattárolási funkciók, a kommunikáció és az adatátvitel teljesítése szempontjából. (Nalwa, 1999).

Irodalom

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN és Wakino, K. (2002). Dielektromos anyagok, eszközök és áramkörök. IEEE tranzakciók a mikrohullámú elmélettel és technikákkal, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Elektromos kölcsönhatás. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García és Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FIZIKAI. Az alkalmazásoktól kezdve. Mexikó: PEARSON OKTATÁS.
4. Nalwa, HS (szerk.). (1999). Kézikönyv alacsony és magas dielektromos állandó anyagokról és alkalmazásukról, kétemeletes készlet. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Dielektromos anyagok vezeték nélküli kommunikációhoz. Elsevier.
6. Serway, R. és Jewett, J. (2005). Fizika a tudomány és a technika számára. Mexikó: Nemzetközi Thomson Editores.