Material kategoriseras som ledare, isolatorer och halvledare baserat på deras elektriska ledande egenskaper. Varje material består av molekyler som i sin tur består av atomer. När de utsätts för elektriskt fält genomgår dessa atomer i materialet vissa förskjutningar och förändringar i egenskaper. I oktober 1745 visade ett experiment utfört av Ewald Georg von Kleist från Tyskland genom att ansluta en högspänningselektrostatisk generator till en volym vatten som samlats in i en handhållen burk med hjälp av en tråd visat att laddning kan lagras. Genom att använda detta fenomen uppfann Pieter van Musschenbroek den första kondensatorn som heter 'Leyden Jar'. Den nya materiella egenskapen som stödde denna uppfinning var ”Dielektric”.
Vad är Dielectric?
Varje material består av atomer. Atomer innehåller både negativt och positivt laddade partiklar. Atomens centrala kärna är positivt laddad. I vilket material som helst är atomerna ordnade som dipoler representerad med en positiv och negativ laddning i slutet. När dessa material utsätts för elektriskt fält inträffar dipolmoment.
Ett ledarmaterial börjar leda när el appliceras. En isolator motsätter sig strömmen av el eftersom den inte har några fria rörliga elektroner i sin struktur. Men Dielectric är en speciell typ av isolator som inte leder elektricitet men blir polariserad när den utsätts för elektricitet.
Polarisering-i-dielektrisk
I dielektriska material förskjuts de positiva laddningarna i materialet i riktning mot det applicerade elektriska fältet när det utsätts för det elektriska fältet. De negativa laddningarna flyttas i motsatt riktning mot det applicerade elektriska fältet. Detta leder till dielektrisk polarisering. I dielektriskt material flyter inte elektriska laddningar genom materialet. Polarisering minskar det totala fältet för dielektrikumet.
Egenskaper för Dielectric
Termen Dielectric introducerades först av William Whewell. Det är kombinationen av två ord - 'Dia' och 'elektrisk'. Den elektriska ledningsförmågan hos ett perfekt dielektrikum är noll. Ett dielektrikum lagrar och släpper ut den elektriska energin som liknar en ideal kondensator. Några av de viktigaste egenskaperna hos ett dielektriskt material är elektrisk susceptibilitet, dielektrisk polarisering, dielektrisk dispersion, dielektrisk avslappning, avstämbarhet, etc ...
Elektrisk känslighet
Hur lätt ett dielektriskt material kan polariseras när det utsätts för ett elektriskt fält mäts av den elektriska känsligheten. Denna kvantitet bestämmer också materialets elektriska permeabilitet.
Dielektrisk polarisering
Ett elektriskt dipolmoment är ett mått på separering av negativ och positiv laddning i systemet. Förhållandet mellan dipolmomentet (M) och det elektriska fältet (E) ger upphov till egenskaperna hos dielektrikum. När det applicerade elektriska fältet tas bort återgår atomen till sitt ursprungliga tillstånd. Detta händer exponentiellt förfall. Tiden det tar för atomen att nå sitt ursprungliga tillstånd är känd som avkopplingstid.
Total polarisering
Det finns två faktorer som avgör polariseringen av dielektrikum. De är bildandet av dipolmoment och deras orientering i förhållande till det elektriska fältet. Baserat på den elementära dipoltypen kan det finnas antingen elektronisk polarisering eller jonisk polarisering. Elektronisk polarisering Päruppstår när de dielektriska molekylerna som bildar dipolmomentet består av neutrala partiklar.
Jonisk polarisering Pioch elektronisk polarisering är båda oberoende av temperaturen. Permanenta dipolmoment produceras i molekylerna när det finns en asymmetrisk laddningsfördelning mellan olika atomer. I sådana fall orienterar polarisationen Pellerär observerad. Om det finns en gratis laddning i det dielektriska materialet skulle det leda till rymdladdningspolarisationen Ps. Den totala polarisationen av dielektrikum involverar alla dessa mekanismer. Således är den totala polarisationen av det dielektriska materialet
PTotal= Pi+ Pär+ Peller+ Ps
Dielektrisk dispersion
När P är den maximala polarisationen som uppnås av dielektriket, trär avslappningstiden för en viss polarisationsprocess, kan den dielektriska polarisationsprocessen uttryckas som
P (t) = P [1-exp (-t / tr)]
Avkopplingstiden varierar för olika polarisationsprocesser. Elektronisk polarisering är mycket snabb följt av jonisk polarisering. Orienteringspolarisering är långsammare än jonpolarisering. Rymdladdningspolarisationen är mycket långsam.
Dielektrisk uppdelning
När högre elektriska fält appliceras börjar isolatorn leda och beter sig som en ledare. Under sådana förhållanden förlorar dielektriska material sina dielektriska egenskaper. Detta fenomen är känt som Dielectric Breakdown. Det är en oåterkallelig process. Detta leder till att dielektriska material går sönder.
Typer av dielektriskt material
Dielektriker kategoriseras utifrån vilken typ av molekyl som finns i materialet. Det finns två typer av dielektrikum - Polär dielektrikum och icke-polär dielektrikum.
Polar Dielectrics
I polära dielektrikum sammanfaller inte masscentrum av positiva partiklar med masscentrum för negativa partiklar. Här finns dipolmomentet. Molekylerna har asymmetrisk form. När det elektriska fältet appliceras inriktas molekylerna med det elektriska fältet. När det elektriska fältet avlägsnas observeras slumpmässigt dipolmoment och nettodipolmomentet i molekylerna blir noll. Exempel är H2O, CO2, etc ...
Icke-polära dielektriker
I de icke-polära dielektrikerna sammanfaller masscentrum av positiva partiklar och negativa partiklar. Det finns inget dipolmoment i dessa molekyler. Dessa molekyler har symmetrisk form. Exempel på icke-polära dielektrikum är H2, N2, O2, etc ...
Exempel på dielektriskt material
Dielektriska material kan vara fasta ämnen, vätskor, gaser och vakuum. Fast dielektrikum används mycket inom elektroteknik. Några exempel på sålda dielektriska produkter är porslin, keramik, glas, papper, etc ... Torr luft, kväve, svavelhexafluorid och oxider av olika metaller är exempel på gasformiga dielektrikum. Destillerat vatten, transformatorolja är vanliga exempel på flytande dielektrikum.
Tillämpningar av dielektriskt material
Några av tillämpningarna av dielektrikum är följande:
- Dessa används för energilagring i kondensatorer .
- För att förbättra prestandan hos en halvledaranordning används dielektriska material med hög permittivitet.
- Dielektrics används i Displayer med flytande kristaller.
- Keramisk dielektrikum används i Dielectric Resonator Oscillator.
- Barium Strontium Titanate tunna filmer är dielektriska som används i mikrovågsstyrda enheter som ger hög avstämbarhet och låg läckström.
- Parylene används i industriella beläggningar fungerar som en barriär mellan underlaget och den yttre miljön.
- I el transformatorer används mineraloljor som flytande dielektrikum och de hjälper till i kylningsprocessen.
- Castorolja används i högspänningskondensatorer för att öka dess kapacitansvärde.
- Electrets, ett speciellt bearbetat dielektriskt material fungerar som elektrostatisk motsvarighet till magneter.
Vanliga frågor
1). Vad är användningen av dielektrikum i kondensatorer?
Dielektriker som används i kondensatorn hjälper till att minska det elektriska fältet vilket i sin tur minskar spänningen och därmed ökar kapacitansen.
2). Vilket dielektriskt material används ofta i kondensatorer?
I kondensatorer används dielektriska material som glas, keramik, luft, glimmer, papper, plastfilm.
3). Vilket material har den högsta dielektriska styrkan?
Ett perfekt vakuum noteras ha den högsta dielektriska styrkan.
4). Är alla isolatorer dielektriska?
Nej, även om dielektrikerna beter sig som isolatorer är inte alla isolatorer dielektriska.
Dielektrics utgör således en viktig del av kondensatorer. Ett bra dielektriskt material bör ha god dielektrisk konstant, dielektrisk styrka, låg förlustfaktor, hög temperaturstabilitet, hög lagringsstabilitet, bra frekvensrespons och bör kunna ändras till industriella processer. Dielektrics spelar också en viktig roll i högfrekventa elektroniska kretsar. Mätning av dielektriska egenskaper hos material ger information om dess elektriska eller magnetiska egenskaper. Vad är en dielektrisk konstant?
