VAD ÄR DEN DIELEKTRISKA KONSTANTEN? - FYSISK - 2025

Den dielektriska konstanten är ett värde associerat med materialet som placeras mellan plattorna i en kondensator (eller kondensator - figur 1) och som möjliggör optimering och ökning av dess funktion. (Giancoli, 2006). Dielectric är synonymt med elektrisk isolator, det vill säga de är material som inte tillåter passage av elektrisk ström.

Detta värde är viktigt från många aspekter, eftersom det är vanligt att alla använder elektrisk och elektronisk utrustning i våra hem, fritidsutrymmen, utbildnings- eller arbetsstationer, men vi är säkert inte medvetna om de komplicerade processer som sker i denna utrustning för att fungera.

Bild 1: Olika typer av kondensatorer.

Till exempel använder våra minikomponenter, tv-apparater och multimediaenheter likström för sina funktioner, men de inhemska och industriella strömmarna som når våra hem och arbetsplatser är växelströmmar. Hur är detta möjligt?.

Bild 2: Elektrisk krets för hushållsutrustning

Svaret på denna fråga ligger inom samma elektriska och elektroniska apparater: kondensatorer (eller kondensatorer). Dessa komponenter möjliggör bland annat att möjliggöra korrigering av växelström till likström och deras funktionalitet beror på kondensatorns geometri eller form och det dielektriska materialet som finns i dess konstruktion.

Dielektriska material spelar en viktig roll eftersom de tillåter plattorna som utgör kondensatorn att vara mycket nära, utan att röra, och täcker utrymmet mellan nämnda plattor helt med dielektriskt material för att öka kondensatorernas funktionalitet.

Den dielektriska konstantens ursprung: kondensatorer och dielektriska material

Värdet på denna konstant är ett experimentellt resultat, det vill säga att det kommer från experimenten som utförs med olika typer av isoleringsmaterial och resulterar i samma fenomen: ökad funktionalitet eller effektivitet hos en kondensator.

Kondensatorer är associerade med en fysisk mängd som kallas kapacitans "C", som definierar mängden elektrisk laddning "Q" som en kondensator kan lagra genom att tillhandahålla en viss potentialskillnad "∆V" (ekvation 1).

(Ekvation 1)

Experiment har dragit slutsatsen att genom att helt täcka utrymmet mellan plattorna i en kondensator med ett dielektriskt material, kondensatorerna ökar sin kapacitans med en faktor K, kallad "dielektrisk konstant." (Ekvation 2).

(Ekvation 2)

En illustration av en platt parallellplattkondensator C-kondensator laddad och följaktligen med ett enhetligt elektriskt fält riktat nedåt mellan dess plattor visas i figur 3.

Längst upp i figuren är kondensatorn med ett vakuum mellan dess plattor (vakuum - permittivitet ∊0). Sedan i botten presenteras samma kondensator med kapacitans C '> C, med en dielektrik mellan dess plattor (med permittivitet ∊).

Bild 3: Plana parallella plattkondensatorer utan dielektrik och med dielektrik.

Figueroa (2005) visar tre funktioner för dielektriska material i kondensatorer:

1. De tillåter en styv och kompakt konstruktion med ett litet gap mellan ledande plattor.
2. De tillåter en högre spänning att appliceras utan att orsaka ett urladdning (det elektriska fältet för nedbrytning är större än luftens)
3. Ökar kondensatorns kapacitet med en faktor K, känd som materialets dielektriska konstant.

Således indikerar författaren att κ "kallas materialets dielektriska konstant och mäter svaret från dess molekylära dipoler på ett yttre magnetfält". Det vill säga den dielektriska konstanten är högre ju högre polariteten för materialets molekyler.

Atomiska modeller för dielektrik

I allmänhet har material specifika molekylarrangemang som beror på själva molekylerna och de element som utgör dem i varje material. Bland de molekylära arrangemangen som ingriper i dielektriska processer är det för de så kallade "polära molekylerna" eller polariserade.

I polära molekyler finns det en skillnad mellan mittpositionen för de negativa laddningarna och mittpositionen för de positiva laddningarna, vilket får dem att ha elektriska poler.

Till exempel är vattenmolekylen (figur 4) permanent polariserad eftersom mitten av den positiva laddningsfördelningen är mitt emellan väteatomerna. (Serway och Jewett, 2005).

Bild 4: Distribution av vattenmolekylen.

I BeH2-molekylen (berylliumhydrid - figur 5), en linjär molekyl, finns det ingen polarisation, eftersom fördelningscentrumet för positiva laddningar (väten) är i centrum för fördelningen av negativa laddningar (beryllium) , avbryter all polarisering som kan existera. Detta är en icke-polär molekyl.

Bild 5: Distribution av en berylliumhydridmolekyl.

På samma sätt, när ett dielektriskt material är i närvaro av ett elektriskt fält E, kommer molekylerna att anpassas som en funktion av det elektriska fältet, vilket orsakar en ytladdningsdensitet på ytorna på det dielektrikum som vetter mot kondensatorplattorna.

På grund av detta fenomen är det elektriska fältet inuti dielektriken mindre än det externa elektriska fältet som genereras av kondensatorn. Följande illustration (figur 6) visar ett elektriskt polariserat dielektrikum i en plan parallell plattskondensator.

Det är viktigt att notera att detta fenomen lättare resulterar i polära material än i icke-polära sådana, på grund av förekomsten av polariserade molekyler som samverkar mer effektivt i närvaro av det elektriska fältet. Även om det bara närvaron av det elektriska fältet orsakar polarisering av icke-polära molekyler, vilket resulterar i samma fenomen som med polära material.

Figur 6: Modeller av de polariserade molekylerna i ett dielektrikum på grund av det elektriska fältet har sitt ursprung i den laddade kondensatorn.

Dielektriska konstantvärden i vissa material

Beroende på kondensatorernas funktionalitet, ekonomi och ultimata användbarhet används olika isoleringsmaterial för att optimera deras prestanda.

Material som papper är mycket billiga, även om de kan misslyckas vid höga temperaturer eller i kontakt med vatten. Medan det är gummi är det fortfarande formbart men mer motståndskraftigt. Vi har också porslin som motstår höga temperaturer, även om det inte kan anpassas till olika former efter behov.

Nedan följer en tabell där dielektricitetskonstanten för vissa material anges, där de dielektriska konstanterna inte har några enheter (de är dimensionlösa):

Tabell 1: Dielektriska konstanter för vissa material vid rumstemperatur.

Vissa tillämpningar av dielektriska material

Dielektriska material är viktiga i det globala samhället med ett brett spektrum av applikationer, från mark- och satellitkommunikation inklusive radioprogramvara, GPS, miljöövervakning via satelliter, bland andra. (Sebastian, 2010)

Dessutom beskriver Fiedziuszko m.fl. (2002) betydelsen av dielektriska material för utvecklingen av trådlös teknik, inklusive för mobiltelefoni. I sin publikation beskriver de relevansen av denna typ av material för miniatyrisering av utrustning.

I denna idéordning har moderniteten genererat en stor efterfrågan på material med höga och låga dielektriska konstanter för att utveckla ett teknologiskt liv. Dessa material är väsentliga komponenter för Internet-enheter när det gäller datalagringsfunktioner, kommunikation och prestanda för dataöverföringar. (Nalwa, 1999).

referenser

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Dielektriska material, enheter och kretsar. IEEE-transaktioner om mikrovågsteori och tekniker, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Elektrisk interaktion. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García och Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FYSISK. Börjar med applikationer. Mexiko: PEARSON EDUCACION.
4. Nalwa, HS (red.). (1999). Handbok med låga och höga dielektriska konstantmaterial och deras tillämpningar, tvåvolymuppsättning. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Dielektriska material för trådlös kommunikation. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Fysik för vetenskap och teknik. Mexiko: International Thomson Editores.