Материалы подразделяются на проводники, изоляторы и полупроводники на основе их электропроводящих свойств. Каждый материал состоит из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов. Под действием электрического поля эти атомы в материале претерпевают определенные смещения и изменения свойств. В октябре 1745 года эксперимент, проведенный Эвальдом Георгом фон Клейстом из Германии, подключивший высоковольтный электростатический генератор к объему воды, собранной в переносном сосуде, с помощью провода показал, что заряд может сохраняться. Используя это явление, Питер ван Мушенбрук изобрел первый конденсатор под названием «Лейденская банка». Новое свойство материала, которое поддержало это изобретение, было «диэлектриком».

Что такое диэлектрик?

Каждый материал состоит из атомов. Атомы содержат как отрицательно, так и положительно заряженные частицы. Центральное ядро атома заряжено положительно. В любом материале атомы расположены следующим образом: диполи представлен с положительным и отрицательным зарядом на конце. Когда эти материалы подвергаются действию электрического поля, возникает дипольный момент.

Материал проводника начинает проводить при подаче электричества. Изолятор противостоит потоку электричества, поскольку в его структуре нет свободно движущихся электронов. Но диэлектрик - это особый тип изолятора, который не проводит электричество, но поляризуется под действием электричества.

Поляризация в диэлектрике

В диэлектрических материалах под действием электрического поля положительные заряды, присутствующие в материале, смещаются в направлении приложенного электрического поля. Отрицательные заряды смещены в направлении, противоположном приложенному электрическому полю. Это приводит к диэлектрической поляризации. В диэлектрическом материале электрические заряды не проходят через материал. Поляризация уменьшает общее поле диэлектрика.

Свойства диэлектрика

Термин диэлектрик был впервые введен Уильямом Уэвеллом. Это сочетание двух слов - «диа» и «электрический». Электропроводность идеального диэлектрика равна нулю. Диэлектрик накапливает и рассеивает электрическую энергию подобно идеальному конденсатору. Некоторые из основных свойств диэлектрического материала: электрическая восприимчивость, диэлектрическая поляризация, диэлектрическая дисперсия, диэлектрическая релаксация, настраиваемость и т. Д.

Электрическая восприимчивость

Насколько легко диэлектрический материал может быть поляризован под действием электрического поля, измеряется электрической восприимчивостью. Эта величина также определяет электрическую проницаемость материала.

Диэлектрическая поляризация

Электрический дипольный момент - это мера разделения отрицательного и положительного заряда в системе. Связь между дипольным моментом (M) и электрическим полем (E) определяет свойства диэлектрика. Когда приложенное электрическое поле снимается, атом возвращается в исходное состояние. Это происходит по экспоненциальному спаду. Время, необходимое атому, чтобы достичь своего исходного состояния, известно как время релаксации.

Полная поляризация

Есть два фактора, которые определяют поляризацию диэлектрика. Это образование дипольного момента и их ориентация относительно электрического поля. По типу элементарного диполя может быть либо электронная поляризация, либо ионная поляризация. Электронная поляризация P_{является}возникает, когда молекулы диэлектрика, образующие дипольный момент, состоят из нейтральных частиц.

Ионная поляризация P_яи электронная поляризация не зависят от температуры. Постоянные дипольные моменты возникают в молекулах при асимметричном распределении заряда между разными атомами. В таких случаях ориентационная поляризация P_{или же}наблюдается. Если в диэлектрическом материале присутствует свободный заряд, это приведет к поляризации пространственного заряда P_s. Полная поляризация диэлектрика включает все эти механизмы. Таким образом, полная поляризация диэлектрического материала равна

п_Общий= P_я+ P_{является}+ P_{или же}+ P_s

Диэлектрическая дисперсия

Когда P - максимальная поляризация, достигаемая диэлектриком, t_р- время релаксации для определенного процесса поляризации, процесс диэлектрической поляризации можно выразить как

“три типа операционной системы ”

P (t) = P [1-ехр (-t / t_р)]

Время релаксации различно для разных поляризационных процессов. Электронная поляризация происходит очень быстро, за ней следует ионная поляризация. Ориентационная поляризация происходит медленнее, чем ионная. Поляризация пространственного заряда происходит очень медленно.

Диэлектрический пробой

При приложении более сильных электрических полей изолятор начинает проводить и ведет себя как проводник. В таких условиях диэлектрические материалы теряют свои диэлектрические свойства. Это явление известно как пробой диэлектрика. Это необратимый процесс. Это приводит к выходу из строя диэлектрических материалов.

Типы диэлектрических материалов

Диэлектрики классифицируются в зависимости от типа молекулы, присутствующей в материале. Есть два типа диэлектриков - полярные диэлектрики и неполярные диэлектрики.

Полярные диэлектрики

В полярных диэлектриках центр масс положительных частиц не совпадает с центром масс отрицательных частиц. Здесь дипольный момент существует. Молекулы асимметричны по форме. При приложении электрического поля молекулы выравниваются с электрическим полем. Когда электрическое поле удаляется, наблюдается случайный дипольный момент, и общий дипольный момент в молекулах становится равным нулю. Примеры: H2O, CO2 и т. Д.

Неполярные диэлектрики

В неполярных диэлектриках центры масс положительных и отрицательных частиц совпадают. В этих молекулах нет дипольного момента. Эти молекулы симметричны по форме. Примеры неполярных диэлектриков: H2, N2, O2 и т. Д.

Примеры диэлектрического материала

Диэлектрические материалы могут быть твердыми телами, жидкостями, газами и вакуумом. Твердые диэлектрики широко используются в электротехнике. Некоторыми примерами продаваемых диэлектриков являются фарфор, керамика, стекло, бумага и т. Д. Сухой воздух, азот, гексафторид серы и оксиды различных металлов являются примерами газообразных диэлектриков. Дистиллированная вода, трансформаторное масло - распространенные примеры жидких диэлектриков.

Применение диэлектрического материала

Некоторые из применений диэлектриков следующие:

Они используются для хранения энергии в конденсаторы .
Для улучшения характеристик полупроводникового прибора используются диэлектрические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью.
Диэлектрики используются в Жидкокристаллические дисплеи.
В генераторе диэлектрического резонатора используется керамический диэлектрик.
Тонкие пленки титаната бария-стронция являются диэлектриками, которые используются в перестраиваемых микроволновых устройствах, обеспечивая высокую настраиваемость и низкий ток утечки.
Парилен, используемый в промышленных покрытиях, действует как барьер между подложкой и внешней средой.
В электрическом трансформаторы , минеральные масла используются в качестве жидкого диэлектрика и способствуют процессу охлаждения.
Касторовое масло используется в высоковольтных конденсаторах для увеличения значения емкости.
Электреты, специально обработанный диэлектрический материал, действуют как электростатический эквивалент магнитов.

FAQs

1). Какая польза от диэлектрика в конденсаторах?

Диэлектрики, используемые в конденсаторе, помогают уменьшить электрическое поле, которое, в свою очередь, снижает напряжение, тем самым увеличивая емкость.

2). Какой диэлектрический материал широко используется в конденсаторах?

В конденсаторах широко используются такие диэлектрические материалы, как стекло, керамика, воздух, слюда, бумага, полиэтиленовая пленка.

3). Какой материал имеет самую высокую диэлектрическую прочность?

Отмечено, что идеальный вакуум имеет самую высокую диэлектрическую прочность.

4). Все ли изоляторы диэлектрики?

Нет, хотя диэлектрики ведут себя как изоляторы, не все изоляторы являются диэлектриками.

Таким образом, диэлектрики составляют важную часть конденсаторов. Хороший диэлектрический материал должен иметь хорошую диэлектрическую постоянную, диэлектрическую прочность, низкий коэффициент потерь, высокотемпературную стабильность, высокую стабильность при хранении, хорошую частотную характеристику и должен быть адаптирован для промышленных процессов. Диэлектрики также играют жизненно важную роль в высокочастотных электронных схемах. Измерение диэлектрических свойств материала дает информацию о его электрических или магнитных характеристиках. Что такое диэлектрическая проницаемость?