ČO JE DIELEKTRICKÁ KONŠTANTA? - FYZICKÝ - 2026

Dielektrická konštanta je hodnota spojená s materiálom, ktorý je umiestnený medzi doskami kondenzátora (alebo kondenzátor - na obrázku 1), a ktorý umožňuje optimalizáciu a zvýšenie jeho funkciu. (Giancoli, 2006). Dielektrikum je synonymom elektrického izolátora, to znamená, že ide o materiály, ktoré neumožňujú prechod elektrického prúdu.

Táto hodnota je dôležitá z mnohých hľadísk, pretože je bežné, že všetci používajú elektrické a elektronické zariadenia v našich domácnostiach, rekreačných priestoroch, vzdelávacích alebo pracovných staniciach, ale určite nevieme o zložitých procesoch, ktoré sa vyskytujú v tomto zariadení, aby mohli fungovať.

Obrázok 1: Rôzne typy kondenzátorov.

Napríklad naše minikomponenty, televízory a multimediálne zariadenia používajú na svoju činnosť jednosmerný prúd, ale domáce a priemyselné prúdy, ktoré prichádzajú do našich domovov a na pracoviská, sú striedavými prúdmi. Ako je to možné?.

Obrázok 2: Elektrický obvod zariadenia pre domácnosť

Odpoveď na túto otázku je v rámci toho istého elektrického a elektronického zariadenia: kondenzátorov (alebo kondenzátorov). Tieto komponenty umožňujú okrem iného umožniť rektifikáciu striedavého prúdu na jednosmerný prúd a ich funkčnosť závisí od geometrie alebo tvaru kondenzátora a dielektrického materiálu prítomného v jeho konštrukcii.

Dielektrické materiály hrajú dôležitú úlohu, pretože umožňujú, aby sa dosky, ktoré tvoria kondenzátor, priviedli veľmi blízko k sebe, bez toho aby sa dotkli, a úplne zakrývajú priestor medzi uvedenými doskami dielektrickým materiálom, aby sa zvýšila funkčnosť kondenzátorov.

Pôvod dielektrickej konštanty: kondenzátory a dielektrické materiály

Hodnota tejto konštanty je experimentálnym výsledkom, to znamená, že pochádza z experimentov uskutočňovaných s rôznymi typmi izolačných materiálov a vedie k rovnakému javu: zvýšená funkčnosť alebo účinnosť kondenzátora.

Kondenzátory sú spojené s fyzikálnou veličinou nazývanou kapacitancia "C", ktorá definuje množstvo elektrického náboja "Q", ktoré môže kondenzátor uložiť uložením určitého potenciálneho rozdielu "∆V" (rovnica 1).

(Rovnica 1)

Experimenty dospeli k záveru, že úplným pokrytím priestoru medzi doskami kondenzátora dielektrickým materiálom zvyšujú kondenzátory svoju kapacitanciu faktorom K, ktorý sa nazýva „dielektrická konštanta“. (Rovnica 2).

(Rovnica 2)

Ilustrácia plochého kondenzátora kondenzátora C s rovnobežnou doskou a následne s jednotným elektrickým poľom nasmerovaným nadol medzi jeho doskami je znázornená na obr.

V hornej časti obrázku je kondenzátor s vákuom medzi jeho doskami (vákuum - permitivita ∊0). Potom je v spodnej časti uvedený rovnaký kondenzátor s kapacitanciou C '> C, s dielektrikom medzi jeho doskami (permitivita ∊).

Obrázok 3: Kondenzátor s paralelnou doskou bez dielektrika as dielektrikom.

Figueroa (2005) uvádza tri funkcie pre dielektrické materiály v kondenzátoroch:

1. Umožňujú pevnú a kompaktnú konštrukciu s malou medzerou medzi vodivými doskami.
2. Umožňujú aplikovať vyššie napätie bez toho, aby spôsobili vybitie (elektrické pole rozpadu je väčšie ako u vzduchu)
3. Zvyšuje kapacitu kondenzátora faktorom K známym ako dielektrická konštanta materiálu.

Autor teda naznačuje, že „sa nazýva dielektrická konštanta materiálu a meria odozvu jeho molekulárnych dipólov na vonkajšie magnetické pole“. To znamená, že dielektrická konštanta je vyššia, čím vyššia je polarita molekúl materiálu.

Atómové modely dielektriky

Vo všeobecnosti majú materiály špecifické molekulárne usporiadanie, ktoré závisí od samotných molekúl a od prvkov, ktoré ich tvoria v každom materiáli. Medzi molekulárne usporiadania, ktoré zasahujú do dielektrických procesov, patrí usporiadanie tzv. „Polárnych molekúl“ alebo polarizované.

V polárnych molekulách existuje oddelenie medzi strednou pozíciou negatívnych nábojov a strednou pozíciou pozitívnych nábojov, čo spôsobuje, že majú elektrické póly.

Napríklad molekula vody (obrázok 4) je natrvalo polarizovaná, pretože stred distribúcie pozitívneho náboja je uprostred medzi atómami vodíka. (Serway a Jewett, 2005).

Obrázok 4: Distribúcia molekuly vody.

Zatiaľ čo v molekule BeH2 (hydrid berýlia - obrázok 5), lineárna molekula, nedochádza k polarizácii, pretože centrum distribúcie pozitívnych nábojov (vodíky) je v centre distribúcie záporných nábojov (berýlium). , zrušením akejkoľvek existujúcej polarizácie. Toto je nepolárna molekula.

Obrázok 5: Distribúcia molekuly hydridu berylia.

V tom istom duchu, keď je dielektrický materiál v prítomnosti elektrického poľa E, sa molekuly zarovnajú ako funkcia elektrického poľa, čo spôsobí hustotu povrchového náboja na stranách dielektrika, ktoré sú obrátené na kondenzátorové platne.

V dôsledku tohto javu je elektrické pole vo vnútri dielektrika menšie ako vonkajšie elektrické pole generované kondenzátorom. Nasledujúci obrázok (obrázok 6) zobrazuje elektricky polarizovaný dielektrikum v rovinnom paralelnom doskovom kondenzátore.

Je dôležité poznamenať, že tento jav vedie ľahšie k polárnym materiálom ako k nepolárnym, v dôsledku existencie polarizovaných molekúl, ktoré účinnejšie interagujú v prítomnosti elektrického poľa. Samotná prítomnosť elektrického poľa však spôsobuje polarizáciu nepolárnych molekúl, čo vedie k rovnakému javu ako u polárnych materiálov.

Obrázok 6: Modely polarizovaných molekúl dielektrika v dôsledku elektrického poľa vzniknutého v nabitom kondenzátore.

Dielektrické konštantné hodnoty v niektorých materiáloch

V závislosti od funkčnosti, hospodárnosti a maximálnej užitočnosti kondenzátorov sa na optimalizáciu ich výkonu používajú rôzne izolačné materiály.

Materiály ako papier sú veľmi lacné, hoci pri vysokých teplotách alebo pri kontakte s vodou môžu zlyhať. Aj keď je guma, je stále kujná, ale odolnejšia. Máme tiež porcelán, ktorý odoláva vysokým teplotám, hoci sa podľa potreby nedokáže prispôsobiť rôznym tvarom.

Nižšie je tabuľka, v ktorej je uvedená dielektrická konštanta niektorých materiálov, kde dielektrické konštanty neobsahujú jednotky (sú bezrozmerné):

Tabuľka 1: Dielektrické konštanty niektorých materiálov pri izbovej teplote.

Niektoré aplikácie dielektrických materiálov

Dielektrické materiály sú dôležité v globálnej spoločnosti so širokým spektrom aplikácií, od pozemných a satelitných komunikácií vrátane rádiového softvéru, GPS, monitorovania životného prostredia cez satelity. (Sebastian, 2010)

Fiedziuszko a ďalší (2002) ďalej popisujú význam dielektrických materiálov pre vývoj bezdrôtových technológií, a to aj pre celulárnu telefóniu. Vo svojej publikácii opisujú dôležitosť tohto typu materiálov pri miniaturizácii zariadení.

V tomto poradí nápadov modernosť vyvolala veľký dopyt po materiáloch s vysokými a nízkymi dielektrickými konštantami pre vývoj technologického života. Tieto materiály sú nevyhnutnými komponentmi pre internetové zariadenia z hľadiska funkcií ukladania údajov, komunikácie a výkonu prenosu údajov. (Nalwa, 1999).

Referencie

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, a Wakino, K. (2002). Dielektrické materiály, zariadenia a obvody. IEEE Transactions on mikrovlnová teória a techniky, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Elektrická interakcia. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García a Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). Fyzikálne. Počnúc aplikáciami. Mexiko: PEARSONOVÉ VZDELÁVANIE.
4. Nalwa, HS (ed.). (1999). Príručka materiálov s nízkymi a vysokými dielektrickými konštantami a ich aplikácie, dvojsvazkový set. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Dielektrické materiály pre bezdrôtovú komunikáciu. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Fyzika pre vedu a techniku. Mexiko: Medzinárodní redaktori Thomson.