CO JE DIELEKTRICKÁ KONSTANTA? - FYZICKÝ - 2025

Dielektrická konstanta je hodnota spojená s materiálem, který je umístěn mezi deskami kondenzátoru (nebo kondenzátor - na obrázku 1), a který umožňuje optimalizaci a zvýšení jeho funkci. (Giancoli, 2006). Dielektrikum je synonymem pro elektrický izolátor, tj. Jsou to materiály, které neumožňují průchod elektrického proudu.

Tato hodnota je důležitá z mnoha hledisek, protože je běžné, že všichni používají elektrická a elektronická zařízení v našich domovech, rekreačních prostorech, vzdělávacích nebo pracovních stanicích, ale určitě si nevíme o složitých procesech, které se vyskytují v tomto zařízení, abychom mohli fungovat.

Obrázek 1: Různé typy kondenzátorů.

Například naše minikomponenty, televizory a multimediální zařízení používají pro své funkce stejnosměrný proud, ale domácí a průmyslové proudy, které se dostávají do našich domovů a pracovišť, jsou střídavými proudy. Jak je tohle možné?.

Obrázek 2: Elektrický obvod domácího zařízení

Odpověď na tuto otázku je ve stejném elektrickém a elektronickém vybavení: kondenzátory (nebo kondenzátory). Tyto komponenty umožňují mimo jiné umožnit usměrnění střídavého proudu na stejnosměrný proud a jejich funkčnost závisí na geometrii nebo tvaru kondenzátoru a dielektrickém materiálu přítomném v jeho konstrukci.

Dielektrické materiály hrají důležitou roli, protože umožňují, aby desky, které tvoří kondenzátor, byly velmi blízko, aniž by se dotýkaly, a zcela zakrývají prostor mezi uvedenými deskami dielektrickým materiálem, aby se zvýšila funkčnost kondenzátorů.

Původ dielektrické konstanty: kondenzátory a dielektrické materiály

Hodnota této konstanty je experimentálním výsledkem, to znamená, že pochází z experimentů prováděných s různými typy izolačních materiálů a má za následek stejný jev: zvýšená funkčnost nebo účinnost kondenzátoru.

Kondenzátory jsou spojeny s fyzickou veličinou zvanou kapacitance „C“, která definuje množství elektrického náboje „Q“, které může kondenzátor ukládat dodáním určitého rozdílu potenciálu „∆V“ (rovnice 1).

(Rovnice 1)

Experimenty dospěly k závěru, že úplným pokrytím prostoru mezi deskami kondenzátoru dielektrickým materiálem kondenzátory zvyšují svou kapacitanci faktorem K, nazývaným „dielektrická konstanta“. (Rovnice 2).

(Rovnice 2)

Na obrázku 3 je znázorněna nabitá kapacitní kondenzátor C s plochou rovnoběžnou deskou a následně s jednotným elektrickým polem směřujícím dolů mezi jeho desky.

Nahoře na obrázku je kondenzátor s vakuem mezi jeho deskami (vakuum - permitivita ∊0). Poté je na dně uveden stejný kondenzátor s kapacitancí C '> C, s dielektrikem mezi jeho deskami (permitivity ∊).

Obrázek 3: Kondenzátor s rovnoběžnou deskou bez dielektrika as dielektrikem.

Figueroa (2005) uvádí tři funkce pro dielektrické materiály v kondenzátorech:

1. Umožňují tuhou a kompaktní konstrukci s malou mezerou mezi vodivými deskami.
2. Umožňují přivedení vyššího napětí, aniž by došlo k vybití (poruchové elektrické pole je větší než u vzduchu)
3. Zvyšuje kapacitu kondenzátoru faktorem K známým jako dielektrická konstanta materiálu.

Autor tedy naznačuje, že „κ„ se nazývá dielektrická konstanta materiálu a měří odezvu jeho molekulárních dipólů na vnější magnetické pole “. To znamená, že dielektrická konstanta je vyšší, čím vyšší je polarita molekul materiálu.

Atomové modely dielektrik

Obecně mají materiály specifické uspořádání molekul, které závisí na samotných molekulách a na prvcích, které je tvoří v každém materiálu. Mezi molekulární uspořádání, která zasahují do dielektrických procesů, patří uspořádání tzv. „Polárních molekul“ nebo polarizované.

V polárních molekulách existuje oddělení mezi střední pozicí záporných nábojů a střední pozicí kladných nábojů, což způsobuje, že mají elektrické póly.

Například molekula vody (obrázek 4) je trvale polarizovaná, protože střed distribuce pozitivního náboje je uprostřed mezi atomy vodíku. (Serway a Jewett, 2005).

Obrázek 4: Distribuce molekuly vody.

Zatímco v molekule BeH2 (hydrid berylia) - obrázek 5), lineární molekula, neexistuje polarizace, protože střed distribuce pozitivních nábojů (vodíky) je ve středu distribuce záporných nábojů (berylium), zrušení jakékoli polarizace, která může existovat. Toto je nepolární molekula.

Obrázek 5: Distribuce molekuly hydridu berylia.

Ve stejné žíle, když je dielektrický materiál v přítomnosti elektrického pole E, molekuly se budou vyrovnávat v závislosti na elektrickém poli, což způsobí hustotu povrchového náboje na čelech dielektrika, které jsou obráceny na kondenzátorové desky.

V důsledku tohoto jevu je elektrické pole uvnitř dielektrika menší než externí elektrické pole generované kondenzátorem. Následující obrázek (obrázek 6) ukazuje elektricky polarizovaný dielektrikum v rovinném paralelním deskovém kondenzátoru.

Je důležité si uvědomit, že tento jev vede k snadnějším výsledkům v polárních materiálech než v nepolárních materiálech kvůli existenci polarizovaných molekul, které účinněji interagují v přítomnosti elektrického pole. Pouhá přítomnost elektrického pole však způsobuje polarizaci nepolárních molekul, což má za následek stejný jev jako u polárních materiálů.

Obrázek 6: Modely polarizovaných molekul dielektrika v důsledku elektrického pole vznikajícího v nabitém kondenzátoru.

Dielektrické konstantní hodnoty v některých materiálech

V závislosti na funkčnosti, hospodárnosti a konečné užitečnosti kondenzátorů se pro optimalizaci jejich výkonu používají různé izolační materiály.

Materiály, jako je papír, jsou velmi levné, i když při vysokých teplotách nebo při styku s vodou mohou selhat. I když je pryž, je stále tvárná, ale odolnější. Máme také porcelán, který odolává vysokým teplotám, i když se podle potřeby nedokáže přizpůsobit různým tvarům.

Níže je tabulka, kde je uvedena dielektrická konstanta některých materiálů, kde dielektrické konstanty nemají jednotky (jsou bezrozměrné):

Tabulka 1: Dielektrické konstanty některých materiálů při pokojové teplotě.

Některé aplikace dielektrických materiálů

Dielektrické materiály jsou důležité v globální společnosti s celou řadou aplikací, od pozemské a satelitní komunikace včetně rádiového softwaru, GPS, monitorování životního prostředí přes satelity, mezi ostatními. (Sebastian, 2010)

Fiedziuszko a další (2002) dále popisují význam dielektrických materiálů pro vývoj bezdrátové technologie, včetně pro celulární telefonování. Ve své publikaci popisují význam tohoto typu materiálů pro miniaturizaci zařízení.

V tomto pořadí myšlenek modernita vyvolala velkou poptávku po materiálech s vysokými a nízkými dielektrickými konstantami pro vývoj technologického života. Tyto materiály jsou nezbytnými součástmi pro internetová zařízení, pokud jde o funkce ukládání dat, komunikaci a výkon přenosu dat. (Nalwa, 1999).

Reference

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, a Wakino, K. (2002). Dielektrické materiály, zařízení a obvody. IEEE Transactions on mikrovlnová teorie a techniky, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Elektrické interakce. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García a Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FYZICKÝ. Počínaje aplikacemi. Mexiko: PEARSONOVÝ VZDĚLÁVÁNÍ.
4. Nalwa, HS (Ed.). (1999). Příručka materiálů s nízkou a vysokou dielektrickou konstantou a jejich aplikace, sada dvou svazků. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Dielektrické materiály pro bezdrátovou komunikaci. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Fyzika pro vědu a techniku. Mexiko: Mezinárodní Thomson Editori.