Diëlektrische materialen

Diëlektrische materialen

Diëlektrische materialen zijn in wezen isolatoren, wat betekent dat er geen stroom door het materiaal zal lopen als er een spanning op wordt gezet. Op atomaire schaal vinden er echter wel bepaalde veranderingen plaats. Wanneer een spanning wordt aangelegd op een diëlektrisch voorwerp, wordt het gepolariseerd. Aangezien atomen uit een positief geladen kern en negatief geladen elektronen bestaan, is polarisatie een effect dat elektronen lichtjes in de richting van de positieve spanning verplaatst. Zij reizen niet ver genoeg om een stroom door het materiaal tot stand te brengen – de verschuiving is microscopisch, maar heeft een zeer belangrijk effect, vooral wanneer het gaat om condensatoren. Zodra de spanningsbron uit het materiaal is verwijderd, keert het ofwel terug naar zijn oorspronkelijke niet-gepolariseerde toestand, of blijft gepolariseerd als de moleculaire bindingen in het materiaal zwak zijn. Het verschil tussen de termen diëlektricum en isolator is niet erg goed gedefinieerd. Alle diëlektrische materialen zijn isolatoren, maar een goed diëlektricum is een diëlektricum dat gemakkelijk kan worden gepolariseerd.

De mate van polarisatie die optreedt wanneer een bepaalde spanning op een voorwerp wordt gezet, beïnvloedt de hoeveelheid elektrische energie die in het elektrische veld wordt opgeslagen. Dit wordt beschreven door de diëlektrische constante van het materiaal. De diëlektrische constante is niet de enige eigenschap van diëlektrische materialen. Andere eigenschappen, zoals de diëlektrische sterkte en het diëlektrisch verlies, zijn even belangrijk bij de keuze van materialen voor een condensator in een bepaalde toepassing.

Diëlektrische constante

De diëlektrische constante van een materiaal, ook wel de permittiviteit van een materiaal genoemd, geeft het vermogen van een materiaal weer om elektrostatische fluxlijnen te concentreren. Praktisch gezien is dit het vermogen van een materiaal om elektrische energie op te slaan in aanwezigheid van een elektrisch veld. Alle materialen, ook vacuüm, slaan energie op wanneer zij in een elektrisch veld worden geplaatst. De permittiviteit van vacuüm wordt gedefinieerd als de fysische constante ε0, die ongeveer ε0 = 8,854 x 10-12 farads per meter bedraagt. Deze constante komt in veel elektromagnetisme formules voor.

Omdat de meeste condensatoren niet van vacuüm zijn gemaakt, is het zinvol om de permittiviteit voor elk materiaal te definiëren. De permittiviteit van een materiaal wordt gedefinieerd als ε=εrε0, waarbij ε de absolute permittiviteit is en er de relatieve permittiviteit. εr is een getal dat altijd groter is dan 1, hetgeen betekent dat alle materialen meer energie opslaan dan de vrije ruimte wanneer zij aan een elektrisch veld worden blootgesteld. Deze eigenschap is zeer nuttig in condensatortoepassingen, en wij zullen dit in dit artikel verder toelichten. Opgemerkt moet worden dat de relatieve permittiviteit afhangt van vele factoren, zoals temperatuur, druk en zelfs frequentie, en daarom wordt in sommige toepassingen de voorkeur gegeven aan materialen met een stabielere diëlektrische constante.

Verschillende materialen hebben verschillende waarden van relatieve permittiviteit. Hier geven wij een lijst van materialen die gewoonlijk in condensatoren worden gebruikt, samen met hun er-waarden bij de frequentie van 1kHz bij kamertemperatuur, die kan worden gebruikt als een snelle referentie en die het brede scala van waarden laat zien dat in de praktijk wordt aangetroffen:

Diëlektrische sterkte

Er is helaas een grens aan de spanning die een isolator kan verdragen voordat hij elektriciteit geleidt. Alle materialen hebben een bovengrens aan de spanning, de zogenaamde doorslagspanning. Een goed voorbeeld hiervan is lucht. Het wordt beschouwd als een isolator, maar onder bepaalde omstandigheden kan het stroom geleiden. Dit is precies wat er gebeurt tijdens een blikseminslag. Nadat de doorslagspanning is overschreden, wordt lucht geïoniseerd (elektronen worden losgerukt van de atoomkern) en beginnen te bewegen onder invloed van het elektrische veld, waardoor elektrische stroom ontstaat. Het is zeer belangrijk dat de maximale nominale spanning van een condensator niet wordt overschreden om schade of zelfs volledige vernietiging te voorkomen. De diëlektrische sterkte voor lucht bedraagt ongeveer 3 megavolt per meter. Ter vergelijking, de diëlektrische sterkte voor mica is ongeveer 120 MV/m. De keuze van het diëlektrisch materiaal is zeer belangrijk in sommige toepassingen waar hoge spanningen worden verwacht, of wanneer de dikte van het diëlektricum zeer klein is.

Diëlektrisch verlies

De term diëlektrisch verlies verwijst naar de energie die verloren gaat aan verwarming van een voorwerp dat is gemaakt van een diëlektrisch materiaal als er een variabele spanning op wordt gezet. Deze verliezen treden op omdat, wanneer het materiaal van polarisatie verandert, de minieme elektronenverschuivingen kunnen worden beschouwd als een minieme wisselstroom. Verschillende materialen hebben verschillende verliezen bij verschillende frequenties, en met deze eigenschap moet rekening worden gehouden bij sommige hoogfrequente toepassingen.

Toepassing van diëlektrische materialen op condensatoren

Om het effect van het diëlektricum op een condensator te begrijpen, laten we eerst snel de bekende formule voor de capaciteit van een parallelle-plaatcondensator bekijken:

waar C de capaciteit is, εr de relatieve permittiviteit van het materiaal, ε0 de permittiviteit van vacuüm, A de oppervlakte van de platen en d de afstand tussen de platen. Het is duidelijk dat hoe groter εr is, hoe groter de resulterende capaciteit wordt. Lucht bijvoorbeeld heeft als materiaal een relatieve permittiviteit van ongeveer 1, wat betekent dat het werkt alsof de condensatorplaten in een vacuüm zijn geplaatst. Aan de andere kant kunnen sommige polymeren een relatieve permittiviteit tot 100.000 hebben! Met dergelijke materialen is het mogelijk dezelfde capaciteit in een veel kleiner volume te bereiken, wat mogelijkheden voor miniaturisatie opent.

Nu gaan we kijken naar de diëlektrische sterkte. Beschouw een luchtcondensator, waarbij de afstand tussen de elektroden 0,1 mm bedraagt. De diëlektrische sterkte van lucht is 3 megavolt per meter. Dit betekent dat de maximale spanning die op deze voorbeeldcondensator kan worden gezet 300 volt is onder ideale omstandigheden. Hoe kleiner de condensator, hoe lager de maximaal toelaatbare spanning. Alle condensatoren hebben maximale nominale spanningen die afhangen van de gebruikte materialen, en overschrijding van deze nominale waarden kan de condensator beschadigen of vernietigen.