КАКВА Е ДИЕЛЕКТРИЧНАТА КОНСТАНТА? - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В диелектрична константа е стойност, свързана с материал, който е поставен между плочите на кондензатор (или кондензатор - Фигура 1) и която позволява оптимизиране и повишаване на неговата функция. (Giancoli, 2006). Диелектрикът е синоним на електрически изолатор, тоест те са материали, които не позволяват преминаването на електрически ток.

Тази стойност е важна от много аспекти, тъй като е обичайно за всеки да използва електрическо и електронно оборудване в нашите домове, места за отдих, образователни или работни станции, но със сигурност не сме наясно със сложните процеси, които протичат в това оборудване, за да могат да функционират.

Фигура 1: Различни видове кондензатори.

Например, нашите миникомпоненти, телевизори и мултимедийни устройства използват постоянен ток за своите функции, но битовите и индустриалните токове, които достигат до домовете и работните ни места, са променливи токове. Как е възможно?.

Фигура 2: Електрическа верига на битово оборудване

Отговорът на този въпрос е в едно и също електрическо и електронно оборудване: кондензатори (или кондензатори). Тези компоненти позволяват, наред с други неща, да направят възможно коригирането на променлив ток към постоянен ток и тяхната функционалност зависи от геометрията или формата на кондензатора и диелектричния материал, присъстващ в неговия дизайн.

Диелектричните материали играят важна роля, тъй като позволяват плочите, съставляващи кондензатора, да се сближат много близо, без да се допират, и напълно покриват пространството между споменатите плочи с диелектричен материал, за да увеличат функционалността на кондензаторите.

Произход на диелектричната константа: кондензатори и диелектрични материали

Стойността на тази константа е експериментален резултат, тоест идва от експериментите, проведени с различни видове изолационни материали и водещи до едно и също явление: повишена функционалност или ефективност на кондензатор.

Кондензаторите са свързани с физическо количество, наречено капацитет "С", което определя количеството електрически заряд "Q", което кондензатор може да съхранява, като подава определена разлика в потенциала ""V" (уравнение 1).

(Уравнение 1)

Експериментите заключават, че като покриват изцяло пространството между плочите на кондензатор с диелектричен материал, кондензаторите увеличават капацитета си с коефициент κ, наречен „диелектрична константа“. (Уравнение 2).

(Уравнение 2)

Илюстрация на плосък успореден кондензатор на плосък кондензатор C, зареден и съответно с еднообразно електрическо поле, насочено надолу между неговите плочи, е представено на фигура 3.

В горната част на фигурата е кондензаторът с вакуум между неговите плочи (вакуум - пропускливост ∊0). След това, в долната част, е представен същия кондензатор с капацитет C '> C, с диелектрик между неговите плочи (на пропускливост ∊).

Фигура 3: План-успореден плосък кондензатор без диелектрик и с диелектрик.

Figueroa (2005), изброява три функции за диелектрични материали в кондензатори:

1. Те позволяват твърда и компактна конструкция с малка междина между проводимите плочи.
2. Те позволяват да бъде приложено по-високо напрежение, без да предизвикат разряд (електрическото поле за разрушаване е по-голямо от това на въздуха)
3. Увеличава капацитета на кондензатора с фактор κ, известен като диелектрична константа на материала.

Така авторът посочва, че κ „се нарича диелектрична константа на материала и измерва реакцията на неговите молекулни диполи към външно магнитно поле“. Тоест, диелектричната константа е по-висока, толкова по-голяма е полярността на молекулите на материала.

Атомни модели на диелектрици

По принцип материалите имат специфични молекулни разположения, които зависят от самите молекули и от елементите, които ги съставят във всеки материал. Сред молекулните механизми, които се намесват в диелектричните процеси, е този на така наречените „полярни молекули“ или поляризирани.

При полярните молекули има разделяне между средното положение на отрицателните заряди и средното положение на положителните заряди, което води до това, че те имат електрически полюси.

Например молекулата на водата (Фигура 4) е постоянно поляризирана, тъй като центърът на разпределението на положителния заряд е по средата между водородните атоми. (Serway and Jewett, 2005).

Фигура 4: Разпределение на водната молекула.

Докато в молекулата на BeH2 (берилиев хидрид - фигура 5), линейна молекула, няма поляризация, тъй като центърът на разпределение на положителните заряди (водородите) е в центъра на разпределение на отрицателните заряди (берилий), анулиране на всяка поляризация, която може да съществува. Това е неполярна молекула.

Фигура 5: Разпределение на молекула на берилиев хидрид.

В същата вена, когато диелектричен материал е в присъствието на електрическо поле Е, молекулите ще се подравнят като функция на електрическото поле, причинявайки плътност на повърхностния заряд по лицата на диелектрика, които са изправени пред плочите на кондензатора.

Поради това явление електрическото поле вътре в диелектрика е по-малко от външното електрическо поле, генерирано от кондензатора. Следващата илюстрация (Фигура 6) показва електрически поляризиран диелектрик в плоско-успореден плосък кондензатор.

Важно е да се отбележи, че това явление се получава по-лесно при полярните материали, отколкото при неполярните, поради наличието на поляризирани молекули, които взаимодействат по-ефективно в присъствието на електрическото поле. Макар че самото присъствие на електрическото поле причинява поляризацията на неполярните молекули, което води до същото явление като при полярните материали.

Фигура 6: Модели на поляризирани молекули на диелектрик поради електрическото поле, възникнало в заредения кондензатор.

Диелектрични постоянни стойности в някои материали

В зависимост от функционалността, икономичността и максималната полезност на кондензаторите се използват различни изолационни материали за оптимизиране на тяхната работа.

Материали като хартия са много евтини, въпреки че могат да се провалят при високи температури или при контакт с вода. Докато каучукът все още е ковък, но по-устойчив. Имаме и порцелан, който издържа на високи температури, въпреки че не може да се адаптира към различни форми според нуждите.

По-долу е дадена таблица, където е определена диелектричната константа на някои материали, където диелектричните константи нямат единици (те са безразмерни):

Таблица 1: Диелектрични константи на някои материали при стайна температура.

Някои приложения на диелектрични материали

Диелектричните материали са важни в глобалното общество с широк спектър от приложения, от наземни и сателитни комуникации, включително радио софтуер, GPS, мониторинг на околната среда чрез спътници, наред с други. (Себастиан, 2010 г.)

Освен това Fiedziuszko и други (2002) описват значението на диелектричните материали за развитието на безжичните технологии, включително за клетъчната телефония. В своята публикация те описват уместността на този тип материали в миниатюризацията на оборудването.

В този ред на идеи модерността породи голямо търсене на материали с високи и ниски диелектрични константи за развитието на технологичен живот. Тези материали са основни компоненти за интернет устройства по отношение на функциите за съхранение на данни, комуникациите и изпълнението на предаването на данни. (Nalwa, 1999).

Препратки

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Диелектрични материали, устройства и схеми. IEEE транзакции по микровълнова теория и техники, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Електрическо взаимодействие. Каракас, Венецуела: Miguel Angel García and Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). ФИЗИЧЕСКИ. Започвайки с приложения. Мексико: ЛИЧНО ОБРАЗОВАНИЕ.
4. Nalwa, HS (Ed.). (1999 г.). Наръчник с ниско и високо диелектрични константни материали и техните приложения, комплект с два тома. Elsevier.
5. Себастиан, МТ (2010). Диелектрични материали за безжична комуникация. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Физика за наука и инженерство. Мексико: Международен Thomson Editores.