Materiały dielektryczne

Materiały dielektryczne

Materiały dielektryczne są zasadniczo izolatorami, co oznacza, że po przyłożeniu napięcia przez materiał nie płynie prąd. Jednakże, pewne zmiany zachodzą w skali atomowej. Kiedy napięcie jest przyłożone do obiektu dielektrycznego, staje się on spolaryzowany. Ponieważ atomy zbudowane są z dodatnio naładowanego jądra i ujemnie naładowanych elektronów, polaryzacja jest efektem, który nieznacznie przesuwa elektrony w kierunku dodatniego napięcia. Nie przesuwają się one na tyle daleko, aby wytworzyć przepływ prądu przez materiał – przesunięcie jest mikroskopijne, ale ma bardzo ważny efekt, zwłaszcza gdy mamy do czynienia z kondensatorami. Gdy źródło napięcia zostanie usunięte z materiału, wraca on do pierwotnego niespolaryzowanego stanu lub pozostaje spolaryzowany, jeśli wiązania molekularne w materiale są słabe. Różnica pomiędzy pojęciami dielektryk i izolator nie jest zbyt dobrze zdefiniowana. Wszystkie materiały dielektryczne są izolatorami, ale dobry dielektryk to taki, który łatwo ulega polaryzacji.

Ilość polaryzacji, która występuje, gdy do obiektu przyłożone jest pewne napięcie, wpływa na ilość energii elektrycznej, która jest przechowywana w polu elektrycznym. Jest to opisywane przez stałą dielektryczną materiału. Stała dielektryczna nie jest jedyną właściwością materiałów dielektrycznych. Inne właściwości, takie jak wytrzymałość dielektryczna i straty dielektryczne są równie ważne przy wyborze materiałów na kondensator w danym zastosowaniu.

Stała dielektryczna

Stała dielektryczna materiału, zwana również przenikalnością materiału, reprezentuje zdolność materiału do koncentracji linii elektrostatycznych strumienia. W bardziej praktycznych terminach, reprezentuje ona zdolność materiału do przechowywania energii elektrycznej w obecności pola elektrycznego. Wszystkie materiały, w tym próżnia, magazynują energię, gdy znajdują się w polu elektrycznym. Przenikalność próżni definiuje się jako stałą fizyczną ε0, która wynosi w przybliżeniu ε0 = 8,854 x 10-12 faradów na metr. Ta stała pojawia się w wielu wzorach elektromagnetyzmu.

Ponieważ większość kondensatorów nie jest wykonana z próżni, sensowne jest zdefiniowanie przenikalności dla każdego materiału. Przenikalność materiału jest zdefiniowana jako ε=εrε0, gdzie ε jest bezwzględną przenikalnością, a er jest względną przenikalnością. εr jest liczbą, która jest zawsze większa od 1, co oznacza, że wszystkie materiały przechowują więcej energii niż wolna przestrzeń, gdy poddane polu elektrycznemu. Ta właściwość jest dość przydatna w zastosowaniach kondensatorów, a my wyjaśnimy to dalej w tym artykule. Należy zauważyć, że względna przenikalność zależy od wielu czynników, takich jak temperatura, ciśnienie, a nawet częstotliwość, dlatego materiały o bardziej stabilnej stałej dielektrycznej są preferowane w niektórych zastosowaniach.

Różne materiały mają różne wartości względnej przenikalności. Poniżej przedstawiamy listę materiałów powszechnie stosowanych w kondensatorach, wraz z ich wartościami er przy częstotliwości 1kHz w temperaturze pokojowej, co może być wykorzystane jako szybkie odniesienie i pokazuje szeroki zakres wartości spotykanych w praktyce:

Wytrzymałość dielektryczna

Niestety, istnieje limit napięcia, które izolator może wytrzymać przed przewodzeniem prądu. Wszystkie materiały mają górną granicę napięcia, zwaną napięciem przebicia. Dobrym tego przykładem jest powietrze. Jest ono uważane za izolator, ale w pewnych okolicznościach może przepływać przez nie prąd. Dokładnie to samo dzieje się podczas uderzenia pioruna. Po przekroczeniu natężenia pola załamania, powietrze ulega jonizacji (elektrony zostają oderwane od jądra atomu) i pod wpływem pola elektrycznego zaczynają się poruszać, wytwarzając prąd elektryczny. Bardzo ważne jest, aby nie przekraczać maksymalnego napięcia znamionowego kondensatora, aby zapobiec jego uszkodzeniu lub nawet całkowitemu zniszczeniu. Wytrzymałość dielektryczna dla powietrza wynosi około 3 megawolty na metr. Dla porównania, wytrzymałość dielektryczna dla miki jest około 120 MV / m. Wybór materiału dielektrycznego jest bardzo ważny w niektórych zastosowaniach, gdzie spodziewane są wysokie napięcia, lub gdy grubość dielektryka jest bardzo mała.

Straty dielektryczne

Termin straty dielektryczne odnosi się do energii, która jest tracona na ogrzewanie obiektu, który jest wykonany z materiału dielektrycznego, jeśli przyłożone jest do niego zmienne napięcie. Straty te wynikają z faktu, że gdy materiał zmienia polaryzację, drobne przesunięcia elektronów mogą być traktowane jako przepływ prądu zmiennego. Różne materiały mają różne straty przy różnych częstotliwościach, a ta charakterystyka musi być uwzględniona w niektórych zastosowaniach wysokiej częstotliwości.

Zastosowanie materiałów dielektrycznych w kondensatorach

Aby zrozumieć wpływ dielektryka na kondensator, najpierw szybko przejrzyjmy znany wzór na pojemność kondensatora równoległopłytkowego:

gdzie C jest pojemnością, εr jest względną przenikalnością materiału, ε0 jest przenikalnością próżni, A jest powierzchnią płyt, a d jest odległością między płytami. Staje się jasne, że im większy jest εr, tym większa staje się wynikowa pojemność. Na przykład, powietrze jako materiał ma względną przenikalność około 1, co oznacza, że działa tak, jakby płytki kondensatora były umieszczone w próżni. Z drugiej strony, niektóre polimery mogą mieć względną przenikalność nawet do 100 000! Korzystanie z takich materiałów, możliwe jest osiągnięcie tej samej pojemności w znacznie mniejszej objętości, otwierając możliwości miniaturyzacji.

Teraz spójrzmy na wytrzymałość dielektryczną. Rozważmy kondensator powietrzny, w którym odległość między elektrodami wynosi 0,1 mm. Wytrzymałość dielektryczna powietrza wynosi 3 megawolty na metr. Oznacza to, że maksymalne napięcie, jakie może być przyłożone do tego przykładowego kondensatora wynosi 300 V w idealnych warunkach. Im mniejszy kondensator, tym niższe maksymalne dopuszczalne napięcie. Wszystkie kondensatory mają maksymalne napięcia znamionowe, które zależą od użytych materiałów, a przekroczenie tych wartości znamionowych może spowodować uszkodzenie lub zniszczenie kondensatora.