Materialer er kategorisert som ledere, isolatorer og halvledere basert på deres elektriske ledende egenskaper. Hvert materiale består av molekyler som igjen består av atomer. Disse atomene i materialet gjennomgår visse forskyvninger og endringer i egenskaper når de utsettes for elektrisk felt. I oktober 1745 viste et eksperiment utført av Ewald Georg von Kleist fra Tyskland ved å koble en høyspent elektrostatisk generator til et volum vann samlet i en håndholdt krukke ved hjelp av en ledning, at ladning kan lagres. Ved hjelp av dette fenomenet oppfant Pieter van Musschenbroek den første kondensatoren kalt 'Leyden Jar'. Den nye materialegenskapen som støttet oppfinnelsen var 'Dielectric'.
Hva er Dielectric?
Hvert materiale består av atomer. Atomer inneholder både negativt og positivt ladede partikler. Atomens sentrale kjerne er positivt ladet. I ethvert materiale er atomene ordnet som dipoler representert med en positiv og negativ ladning på slutten. Når disse materialene utsettes for elektrisk felt, finner dipolmoment sted.
Et ledermateriale begynner å lede når strøm påføres. En isolator motarbeider strømmen av strøm, da den ikke har noen fri bevegelige elektroner i strukturen. Men Dielectric er en spesiell type isolator som ikke leder strøm, men blir polarisert når den utsettes for elektrisitet.
Polarisering-i-dielektrisk
I dielektriske materialer blir de positive ladningene i materialet forskjøvet i retning av det påførte elektriske feltet når det utsettes for det elektriske feltet. De negative ladningene forskyves i motsatt retning av det påførte elektriske feltet. Dette fører til dielektrisk polarisering. I dielektrisk materiale strømmer ikke elektriske ladninger gjennom materialet. Polarisering reduserer det totale feltet for dielektrikumet.
Egenskaper for Dielectric
Begrepet Dielectric ble først introdusert av William Whewell. Det er kombinasjonen av to ord - 'Dia' og 'elektrisk'. Den elektriske ledningsevnen til et perfekt dielektrikum er null. Et dielektrikum lagrer og sprer den elektriske energien lik en ideell kondensator. Noen av de viktigste egenskapene til et dielektrisk materiale er elektrisk susceptibilitet, dielektrisk polarisering, dielektrisk spredning, dielektrisk avspenning, avstemmbarhet, etc ...
Elektrisk følsomhet
Hvor lett et dielektrisk materiale kan polariseres når det utsettes for et elektrisk felt, måles av den elektriske følsomheten. Denne mengden bestemmer også materialets elektriske permeabilitet.
Dielektrisk polarisering
Et elektrisk dipolmoment er et mål på separasjon av negativ og positiv ladning i systemet. Forholdet mellom dipolmomentet (M) og det elektriske feltet (E) gir opphav til egenskapene til dielektrikum. Når det påførte elektriske feltet fjernes, går atomet tilbake til sin opprinnelige tilstand. Dette skjer på en eksponentiell forfallsmåte. Tiden det tar for atomet når sin opprinnelige tilstand, er kjent som avslappingstid.
Total polarisering
Det er to faktorer som avgjør polariseringen av dielektrikum. De er dannelsen av dipolmoment og deres orientering i forhold til det elektriske feltet. Basert på den elementære dipoltypen kan det være enten elektronisk polarisering eller ionisk polarisering. Elektronisk polarisering Peroppstår når de dielektriske molekylene som danner dipolmomentet består av nøytrale partikler.
Ionisk polarisering PJegog elektronisk polarisering er begge uavhengige av temperaturen. Permanente dipolmomenter produseres i molekylene når det er en asymmetrisk ladningsfordeling mellom forskjellige atomer. I slike tilfeller orienteringspolarisering Pellerblir observert. Hvis det er en gratis ladning i det dielektriske materialet, vil det føre til romladningspolarisasjonen Ps. Den totale polarisasjonen av dielektrikum involverer alle disse mekanismene. Dermed er den totale polarisasjonen av det dielektriske materialet
PTotal= PJeg+ Per+ Peller+ Ps
Dielektrisk spredning
Når P er den maksimale polarisasjonen oppnådd av dielektriket, trer avslapningstiden for en bestemt polarisasjonsprosess, kan den dielektriske polarisasjonsprosessen uttrykkes som
P (t) = P [1-exp (-t / tr)]
Avspenningstiden varierer for forskjellige polarisasjonsprosesser. Elektronisk polarisering er veldig rask etterfulgt av ionisk polarisering. Orienteringspolarisering er tregere enn ionisk polarisering. Romladningspolarisering er veldig treg.
Dielektrisk sammenbrudd
Når høyere elektriske felt påføres, begynner isolatoren å lede og oppfører seg som en leder. Under slike forhold mister dielektriske materialer sine dielektriske egenskaper. Dette fenomenet er kjent som Dielectric Breakdown. Det er en irreversibel prosess. Dette fører til svikt i dielektriske materialer.
Typer av dielektrisk materiale
Dielektrics er kategorisert basert på typen molekyl som er tilstede i materialet. Det er to typer dielektrikum - Polær dielektrikum og Ikke-polær dielektrikum.
Polar Dielectrics
I polær dielektrikum faller ikke massesenteret til positive partikler sammen med massesenteret til negative partikler. Her eksisterer dipolmomentet. Molekylene har asymmetrisk form. Når det elektriske feltet påføres, justerer molekylene seg med det elektriske feltet. Når det elektriske feltet fjernes, observeres tilfeldig dipolmoment og netto dipolmomentet i molekylene blir null. Eksempler er H2O, CO2 osv ...
Ikke-polære dielektrikker
I de ikke-polære dielektrikene faller massesenteret til positive partikler og negative partikler sammen. Det er ikke noe dipolmoment i disse molekylene. Disse molekylene har symmetrisk form. Eksempler på ikke-polære dielektrikker er H2, N2, O2, etc ...
Eksempler på dielektrisk materiale
Dielektriske materialer kan være faste stoffer, væsker, gasser og vakuum. Solid dielektrikum brukes i stor grad innen elektroteknikk. Noen eksempler på solgt dielektrikum er porselen, keramikk, glass, papir osv. ... Tørr luft, nitrogen, svovelheksafluorid og oksyder av forskjellige metaller er eksempler på gassformige dielektrikum. Destillert vann, transformatorolje er vanlige eksempler på flytende dielektrikum.
Anvendelser av dielektrisk materiale
Noen av anvendelsene av dielektrikum er som følger -
- Disse brukes til energilagring i kondensatorer .
- For å forbedre ytelsen til en halvlederanordning brukes dielektriske materialer med høy permittivitet.
- Dielektrics brukes i Flytende krystalldisplays.
- Keramisk dielektrikum brukes i Dielectric Resonator Oscillator.
- Barium Strontium Titanate-tynne filmer er dielektriske som brukes i mikrobølger som kan avstemmes, og som gir høy avstemming og lav lekkasjestrøm.
- Parylene brukes i industrielle belegg fungerer som en barriere mellom underlaget og det ytre miljøet.
- I elektrisk transformatorer , brukes mineraloljer som flytende dielektrikum, og de hjelper i kjøleprosessen.
- Ricinusolje brukes i høyspenningskondensatorer for å øke kapasitansverdien.
- Elektreter, et spesielt bearbeidet dielektrisk materiale fungerer som elektrostatisk ekvivalent med magneter.
Vanlige spørsmål
1). Hva er bruken av dielektrisk i kondensatorer?
Dielektrics brukt i kondensatoren hjelper til å redusere det elektriske feltet som igjen reduserer spenningen og øker dermed kapasitansen.
2). Hvilket dielektrisk materiale er mye brukt i kondensatorer?
I kondensatorer er dielektriske materialer som glass, keramikk, luft, glimmer, papir, plastfilm mye brukt.
3). Hvilket materiale har høyest dielektrisk styrke?
Et perfekt vakuum er kjent for å ha den høyeste dielektriske styrke.
4). Er alle isolatorene dielektriske?
Nei, selv om dielektrikumene oppfører seg som isolatorer, er ikke alle isolatorer dielektriske.
Dermed utgjør Dielektrics en viktig del av kondensatorer. Et godt dielektrisk materiale skal ha god dielektrisk konstant, dielektrisk styrke, lav tapsfaktor, stabilitet ved høy temperatur, høy lagringsstabilitet, god frekvensrespons og bør kunne endres til industrielle prosesser. Dielektrics spiller også en viktig rolle i høyfrekvente elektroniske kretser. Måling av materialets dielektriske egenskaper gir informasjon om dets elektriske eller magnetiske egenskaper. Hva er en dielektrisk konstant?
