Τα υλικά κατηγοριοποιούνται ως αγωγοί, μονωτές και ημιαγωγοί με βάση τις ηλεκτρικές αγώγιμες ιδιότητές τους. Κάθε υλικό αποτελείται από μόρια τα οποία με τη σειρά τους αποτελούνται από άτομα. Όταν υποβάλλονται σε ηλεκτρικό πεδίο αυτά τα άτομα στο υλικό υφίστανται ορισμένες μετατοπίσεις και αλλαγές στις ιδιότητες. Τον Οκτώβριο του 1745, ένα πείραμα που έγινε από τον Ewald Georg von Kleist της Γερμανίας με τη σύνδεση ηλεκτροστατικής γεννήτριας υψηλής τάσης σε έναν όγκο νερού που συλλέχθηκε σε ένα βάζο χειρός χρησιμοποιώντας ένα καλώδιο έδειξε ότι μπορεί να αποθηκευτεί η φόρτιση. Χρησιμοποιώντας αυτό το φαινόμενο, ο Pieter van Musschenbroek εφηύρε τον πρώτο πυκνωτή που ονομάζεται 'Leyden Jar'. Η νέα ιδιότητα υλικού που υποστήριξε αυτήν την εφεύρεση ήταν «διηλεκτρικό».
Τι είναι το διηλεκτρικό;
Κάθε υλικό αποτελείται από άτομα. Τα άτομα περιέχουν τόσο αρνητικά όσο και θετικά φορτισμένα σωματίδια. Ο κεντρικός πυρήνας του ατόμου φορτίζεται θετικά. Σε οποιοδήποτε υλικό, τα άτομα είναι διατεταγμένα ως δίπολα εκπροσωπήθηκε με θετική και αρνητική επιβάρυνση στο τέλος της. Όταν αυτά τα υλικά υποβάλλονται σε ηλεκτρικό πεδίο διπολική ροπή λαμβάνει χώρα.
Ένα υλικό αγωγού αρχίζει να αγωγεί όταν εφαρμόζεται ηλεκτρική ενέργεια. Ένας μονωτής αντιτίθεται στη ροή ηλεκτρικής ενέργειας καθώς δεν έχει ελεύθερα κινούμενα ηλεκτρόνια στη δομή του. Όμως, το Dielectric είναι ένας ειδικός τύπος μονωτή που δεν αποδίδει ηλεκτρισμό, αλλά πολώνεται όταν υποβάλλεται σε ηλεκτρισμό.
Πόλωση σε διηλεκτρικό
Στα διηλεκτρικά υλικά, όταν υποβάλλονται στο ηλεκτρικό πεδίο, τα θετικά φορτία που υπάρχουν στο υλικό μετατοπίζονται προς την κατεύθυνση του εφαρμοσμένου ηλεκτρικού πεδίου. Τα αρνητικά φορτία μετατοπίζονται στην αντίθετη κατεύθυνση προς το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό οδηγεί σε διηλεκτρική πόλωση. Στο διηλεκτρικό υλικό, τα ηλεκτρικά φορτία δεν ρέουν μέσω του υλικού. Η πόλωση μειώνει το συνολικό πεδίο του διηλεκτρικού.
Ιδιότητες διηλεκτρικού
Ο όρος Dielectric εισήχθη για πρώτη φορά από τον William Whewell. Είναι ο συνδυασμός δύο λέξεων - «Dia» και «electric». Η ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός τέλειου διηλεκτρικού είναι μηδέν. Ένα διηλεκτρικό αποθηκεύει και διαλύει την ηλεκτρική ενέργεια παρόμοια με έναν ιδανικό πυκνωτή. Μερικές από τις κύριες ιδιότητες ενός διηλεκτρικού υλικού είναι η ηλεκτρική ευαισθησία, η διηλεκτρική πόλωση, η διηλεκτρική διασπορά, η διηλεκτρική χαλάρωση, η δυνατότητα συντονισμού κ.λπ…
Ηλεκτρική ευαισθησία
Πόσο εύκολα ένα διηλεκτρικό υλικό μπορεί να πολωθεί όταν υποβληθεί σε ηλεκτρικό πεδίο μετράται από την ηλεκτρική ευαισθησία. Αυτή η ποσότητα καθορίζει επίσης την ηλεκτρική διαπερατότητα του υλικού.
Διηλεκτρική πόλωση
Μια ηλεκτρική ροπή διπόλου είναι ένα μέτρο διαχωρισμού αρνητικού και θετικού φορτίου στο σύστημα. Η σχέση μεταξύ της διπολικής ροπής (Μ) και του ηλεκτρικού πεδίου (Ε) δημιουργεί τις ιδιότητες του διηλεκτρικού. Όταν αφαιρεθεί το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο, το άτομο επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση. Αυτό συμβαίνει με εκθετικό τρόπο αποσύνθεσης. Ο χρόνος που χρειάζεται το άτομο για να φτάσει στην αρχική του κατάσταση είναι γνωστός ως χρόνος χαλάρωσης.
Ολική πόλωση
Υπάρχουν δύο παράγοντες που αποφασίζουν την πόλωση του διηλεκτρικού. Είναι ο σχηματισμός της διπολικής ροπής και ο προσανατολισμός τους σε σχέση με το ηλεκτρικό πεδίο. Με βάση τον στοιχειώδη τύπο διπόλου μπορεί να υπάρχει είτε ηλεκτρονική πόλωση είτε ιοντική πόλωση. Ηλεκτρονική πόλωση Pείναισυμβαίνει όταν τα διηλεκτρικά μόρια που σχηματίζουν τη διπολική ροπή αποτελούνται από ουδέτερα σωματίδια.
Ιωνική πόλωση PΕγώκαι η ηλεκτρονική πόλωση και οι δύο είναι ανεξάρτητες από τη θερμοκρασία. Μόνιμες διπολικές ροπές παράγονται στα μόρια όταν υπάρχει ασύμμετρη κατανομή φορτίου μεταξύ διαφορετικών ατόμων. Σε τέτοιες περιπτώσεις, προσανατολιστική πόλωση Pήπαρατηρείται. Εάν υπάρχει δωρεάν φόρτιση στο διηλεκτρικό υλικό θα οδηγούσε στην πόλωση διαστήματος Pμικρό. Η ολική πόλωση του διηλεκτρικού περιλαμβάνει όλους αυτούς τους μηχανισμούς. Έτσι, η ολική πόλωση του διηλεκτρικού υλικού είναι
ΠΣύνολο= ΡΕγώ+ Ρείναι+ Ρή+ Ρμικρό
Διηλεκτρική διασπορά
Όταν το P είναι η μέγιστη πόλωση που επιτυγχάνεται από το διηλεκτρικό, tρείναι ο χρόνος χαλάρωσης για μια συγκεκριμένη διαδικασία πόλωσης, η διαδικασία διηλεκτρικής πόλωσης μπορεί να εκφραστεί ως
P (t) = P [1-exp (-t / tρ)]
Ο χρόνος χαλάρωσης ποικίλλει για διαφορετικές διαδικασίες πόλωσης. Η ηλεκτρονική πόλωση είναι πολύ γρήγορη ακολουθούμενη από ιοντική πόλωση. Η πόλωση προσανατολισμού είναι πιο αργή από την ιοντική πόλωση. Η πόλωση του διαστήματος είναι πολύ αργή.
Διηλεκτρική ανάλυση
Όταν εφαρμόζονται υψηλότερα ηλεκτρικά πεδία, ο μονωτής αρχίζει να λειτουργεί και συμπεριφέρεται ως αγωγός. Σε τέτοιες συνθήκες, τα διηλεκτρικά υλικά χάνουν τις διηλεκτρικές τους ιδιότητες. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως διηλεκτρική κατανομή. Είναι μια μη αναστρέψιμη διαδικασία. Αυτό οδηγεί στην αποτυχία διηλεκτρικών υλικών.
Τύποι διηλεκτρικού υλικού
Τα διηλεκτρικά ταξινομούνται με βάση τον τύπο του μορίου που υπάρχει στο υλικό. Υπάρχουν δύο τύποι διηλεκτρικών - Πολικά διηλεκτρικά και Μη Πολικά διηλεκτρικά.
Πολικά διηλεκτρικά
Στα πολικά διηλεκτρικά, το κέντρο μάζας θετικών σωματιδίων δεν συμπίπτει με το κέντρο μάζας αρνητικών σωματιδίων. Εδώ υπάρχει η διπολική στιγμή. Τα μόρια έχουν ασύμμετρο σχήμα. Όταν εφαρμόζεται το ηλεκτρικό πεδίο, τα μόρια ευθυγραμμίζονται με το ηλεκτρικό πεδίο. Όταν αφαιρείται το ηλεκτρικό πεδίο, παρατηρείται τυχαία διπολική ροπή και η καθαρή διπολική ροπή στα μόρια γίνεται μηδέν. Παραδείγματα είναι H2O, CO2 κ.λπ.
Μη πολικά διηλεκτρικά
Στα μη πολικά διηλεκτρικά, συμπίπτει το κέντρο μάζας θετικών σωματιδίων και αρνητικών σωματιδίων. Δεν υπάρχει διπολική ροπή σε αυτά τα μόρια. Αυτά τα μόρια έχουν συμμετρικό σχήμα. Παραδείγματα μη πολικών διηλεκτρικών είναι τα H2, N2, O2, κλπ…
Παραδείγματα διηλεκτρικού υλικού
Τα διηλεκτρικά υλικά μπορεί να είναι στερεά, υγρά, αέρια και κενό. Τα στερεά διηλεκτρικά χρησιμοποιούνται ιδιαίτερα στην ηλεκτρολογία. Μερικά παραδείγματα διηλεκτρικών που πωλούνται είναι πορσελάνη, κεραμικά, γυαλί, χαρτί κ.λπ.… Ο ξηρός αέρας, το άζωτο, το εξαφθοριούχο θείο και τα οξείδια διαφόρων μετάλλων είναι παραδείγματα αερίων διηλεκτρικών. Το απεσταγμένο νερό, το λάδι μετασχηματιστή είναι κοινά παραδείγματα υγρών διηλεκτρικών.
Εφαρμογές διηλεκτρικού υλικού
Μερικές από τις εφαρμογές της διηλεκτρικής έχουν ως εξής-
- Αυτά χρησιμοποιούνται για αποθήκευση ενέργειας στο πυκνωτές .
- Για να βελτιωθεί η απόδοση μιας συσκευής ημιαγωγών, χρησιμοποιούνται διηλεκτρικά υλικά υψηλής διαπερατότητας.
- Τα διηλεκτρικά χρησιμοποιούνται σε Εμφανίσεις υγρών κρυστάλλων.
- Το κεραμικό διηλεκτρικό χρησιμοποιείται στο Dielectric Resonator Oscillator.
- Οι λεπτές μεμβράνες Barium Strontium Titanate είναι διηλεκτρικές, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε συσκευές συντονισμού μικροκυμάτων που παρέχουν υψηλή δυνατότητα συντονισμού και χαμηλό ρεύμα διαρροής.
- Το παρυλένιο χρησιμοποιείται σε βιομηχανικές επικαλύψεις ως εμπόδιο μεταξύ του υποστρώματος και του εξωτερικού περιβάλλοντος.
- Σε ηλεκτρικό μετασχηματιστές , τα ορυκτέλαια χρησιμοποιούνται ως υγρό διηλεκτρικό και βοηθούν στη διαδικασία ψύξης.
- Το καστορέλαιο χρησιμοποιείται σε πυκνωτές υψηλής τάσης για να αυξήσει την τιμή χωρητικότητάς του.
- Το Electrets, ένα ειδικά επεξεργασμένο διηλεκτρικό υλικό δρα ως ηλεκτροστατικό ισοδύναμο με τους μαγνήτες.
Συχνές ερωτήσεις
1). Ποια είναι η χρήση του διηλεκτρικού στους πυκνωτές;
Τα διηλεκτρικά που χρησιμοποιούνται στον πυκνωτή βοηθούν στη μείωση του ηλεκτρικού πεδίου το οποίο με τη σειρά του μειώνει την τάση αυξάνοντας έτσι την χωρητικότητα.
2). Ποιο διηλεκτρικό υλικό χρησιμοποιείται ευρέως στους πυκνωτές;
Σε πυκνωτές, χρησιμοποιούνται διηλεκτρικά υλικά όπως γυαλί, κεραμικά, αέρας, μαρμαρυγία, χαρτί, πλαστικό φιλμ.
3). Ποιο υλικό έχει την υψηλότερη διηλεκτρική αντοχή;
Ένα τέλειο κενό φαίνεται ότι έχει την υψηλότερη διηλεκτρική αντοχή.
4). Είναι όλοι οι μονωτές διηλεκτρικά;
Όχι, αν και τα διηλεκτρικά συμπεριφέρονται ως μονωτές, δεν είναι όλοι οι μονωτές διηλεκτρικά.
Έτσι, τα διηλεκτρικά αποτελούν σημαντικό μέρος των πυκνωτών. Ένα καλό διηλεκτρικό υλικό θα πρέπει να έχει καλή διηλεκτρική σταθερά, διηλεκτρική αντοχή, χαμηλό συντελεστή απώλειας, σταθερότητα υψηλής θερμοκρασίας, υψηλή σταθερότητα αποθήκευσης, καλή απόκριση συχνότητας και πρέπει να τροποποιείται στις βιομηχανικές διαδικασίες. Τα διηλεκτρικά παίζουν επίσης ζωτικό ρόλο σε ηλεκτρονικά κυκλώματα υψηλής συχνότητας. Η μέτρηση των διηλεκτρικών ιδιοτήτων του υλικού παρέχει πληροφορίες σχετικά με τα ηλεκτρικά ή μαγνητικά χαρακτηριστικά του. Τι είναι μια διηλεκτρική σταθερά;
