Materialen worden gecategoriseerd als geleiders, isolatoren en halfgeleiders gebaseerd op hun elektrisch geleidende eigenschappen. Elk materiaal is opgebouwd uit moleculen die op hun beurt weer uit atomen bestaan. Bij blootstelling aan een elektrisch veld ondergaan deze atomen in het materiaal bepaalde verplaatsingen en veranderingen in eigenschappen. In oktober 1745 toonde een experiment dat werd uitgevoerd door Ewald Georg von Kleist uit Duitsland door een elektrostatische hoogspanningsgenerator aan te sluiten op een hoeveelheid water verzameld in een handpot met behulp van een draad, aan dat lading kan worden opgeslagen. Met behulp van dit fenomeen vond Pieter van Musschenbroek de eerste condensator uit genaamd 'Leyden Jar'. De nieuwe materiaaleigenschap die deze uitvinding ondersteunde, was 'Diëlektrisch'.
Wat is het diëlektricum?
Elk materiaal is opgebouwd uit atomen. Atomen bevatten zowel negatief als positief geladen deeltjes. De centrale kern van het atoom is positief geladen. In elk materiaal zijn de atomen gerangschikt als dipolen weergegeven met een positieve en negatieve lading aan het uiteinde. Wanneer deze materialen worden blootgesteld aan een elektrisch veld, vindt er een dipoolmoment plaats.
Een geleidermateriaal begint te geleiden wanneer elektriciteit wordt aangelegd. Een isolator werkt tegen de stroom van elektriciteit omdat deze geen vrij bewegende elektronen in zijn structuur heeft. Maar diëlektrisch is een speciaal type isolator dat geen elektriciteit geleidt, maar gepolariseerd raakt wanneer het aan elektriciteit wordt blootgesteld.
Polarisatie-in-diëlektrisch
In diëlektrische materialen worden bij blootstelling aan het elektrische veld de positieve ladingen die in het materiaal aanwezig zijn, verplaatst in de richting van het aangelegde elektrische veld. De negatieve ladingen worden verschoven in de richting tegengesteld aan het aangelegde elektrische veld. Dit leidt tot diëlektrische polarisatie. In diëlektrisch materiaal stromen elektrische ladingen niet door het materiaal. Polarisatie vermindert het totale veld van het diëlektricum.
Eigenschappen van diëlektricum
De term diëlektrisch werd voor het eerst geïntroduceerd door William Whewell. Het is de combinatie van twee woorden: ‘Dia’ en ‘elektrisch’. De elektrische geleidbaarheid van een perfect diëlektricum is nul. Een diëlektricum slaat de elektrische energie op en dissipeert deze vergelijkbaar met een ideale condensator. Enkele van de belangrijkste eigenschappen van een diëlektrisch materiaal zijn elektrische gevoeligheid, diëlektrische polarisatie, diëlektrische dispersie, diëlektrische relaxatie, afstembaarheid, enz ...
Elektrische gevoeligheid
Hoe gemakkelijk een diëlektrisch materiaal kan worden gepolariseerd wanneer het wordt blootgesteld aan een elektrisch veld, wordt gemeten aan de hand van de elektrische gevoeligheid. Deze hoeveelheid bepaalt ook de elektrische doorlaatbaarheid van het materiaal.
Diëlektrische polarisatie
Een elektrisch dipoolmoment is een maat voor de scheiding van negatieve en positieve lading in het systeem. De relatie tussen het dipoolmoment (M) en het elektrische veld (E) geeft aanleiding tot de eigenschappen van diëlektricum. Wanneer het aangelegde elektrische veld wordt verwijderd, keert het atoom terug naar zijn oorspronkelijke staat. Dit gebeurt op een exponentiële manier van verval. De tijd die het atoom nodig heeft om zijn oorspronkelijke staat te bereiken, staat bekend als ontspanningstijd.
Totale polarisatie
Er zijn twee factoren die de polarisatie van diëlektricum bepalen. Ze zijn de vorming van een dipoolmoment en hun oriëntatie ten opzichte van het elektrische veld. Op basis van het elementaire dipooltype kan er elektronische polarisatie of ionische polarisatie zijn. Elektronische polarisatie Pistreedt op wanneer de diëlektrische moleculen die het dipoolmoment vormen, zijn samengesteld uit neutrale deeltjes.
Ionische polarisatie P.iken elektronische polarisatie zijn beide onafhankelijk van de temperatuur. Permanente dipoolmomenten worden geproduceerd in de moleculen wanneer er een asymmetrische verdeling van lading tussen verschillende atomen is. In dergelijke gevallen oriënteert polarisatie Pofis geobserveerd. Als een vrije lading aanwezig is in het diëlektrische materiaal, zou dit leiden tot de ruimteladingspolarisatie PsDe totale polarisatie van diëlektricum omvat al deze mechanismen. Dus de totale polarisatie van het diëlektrische materiaal is
P.Totaal= P.ik+ Blzis+ Blzof+ Blzs
Diëlektrische dispersie
Wanneer P de maximale polarisatie is die wordt bereikt door het diëlektricum, tris de relaxatietijd voor een bepaald polarisatieproces, het diëlektrische polarisatieproces kan worden uitgedrukt als
P (t) = P [1-exp (-t / tr
De relaxatietijd varieert voor verschillende polarisatieprocessen. Elektronische polarisatie is erg snel, gevolgd door ionische polarisatie. Oriëntatiepolarisatie is langzamer dan ionische polarisatie. De polarisatie van ruimteladingen is erg traag.
Diëlektrische storing
Wanneer hogere elektrische velden worden aangelegd, gaat de isolator geleiden en gedraagt zich als een geleider. In dergelijke omstandigheden verliezen diëlektrische materialen hun diëlektrische eigenschappen. Dit fenomeen staat bekend als diëlektrische afbraak. Het is een onomkeerbaar proces. Dit leidt tot het falen van diëlektrische materialen.
Soorten diëlektrisch materiaal
Diëlektrica worden gecategoriseerd op basis van het type molecuul dat in het materiaal aanwezig is. Er zijn twee soorten diëlektrica: polaire diëlektrica en niet-polaire diëlektrica.
Polar diëlektrica
In polaire diëlektrica valt het massamiddelpunt van positieve deeltjes niet samen met het massamiddelpunt van negatieve deeltjes. Hier bestaat het dipoolmoment. De moleculen zijn asymmetrisch van vorm. Wanneer het elektrische veld wordt aangelegd, richten de moleculen zichzelf op het elektrische veld. Wanneer het elektrische veld wordt verwijderd, wordt een willekeurig dipoolmoment waargenomen en wordt het netto dipoolmoment in de moleculen nul. Voorbeelden zijn H2O, CO2, enz ...
Niet-polaire diëlektrica
In de niet-polaire diëlektrica vallen het massamiddelpunt van positieve deeltjes en negatieve deeltjes samen. Er is geen dipoolmoment in deze moleculen. Deze moleculen zijn symmetrisch van vorm. Voorbeelden van niet-polaire diëlektrica zijn H2, N2, O2, enz ...
Voorbeelden van diëlektrisch materiaal
Diëlektrische materialen kunnen vaste stoffen, vloeistoffen, gassen en vacuüm zijn. Vaste diëlektrica worden veel gebruikt in de elektrotechniek. Enkele voorbeelden van verkochte diëlektrica zijn porselein, keramiek, glas, papier, enz. Droge lucht, stikstof, zwavelhexafluoride en de oxiden van verschillende metalen zijn voorbeelden van gasvormige diëlektrica. Gedestilleerd water, transformatorolie zijn veelvoorkomende voorbeelden van vloeibare diëlektrica.
Toepassingen van diëlektrisch materiaal
Enkele van de toepassingen van diëlektrica zijn als volgt-
- Deze worden gebruikt voor energieopslag in condensatoren
- Om de prestaties van een halfgeleiderinrichting te verbeteren, worden diëlektrische materialen met een hoge permittiviteit gebruikt.
- Diëlektrica worden gebruikt in Liquid Crystal Displays.
- Keramisch diëlektricum wordt gebruikt in diëlektrische resonatoroscillator.
- Dunne films van bariumstrontiumtitanaat zijn diëlektrisch en worden gebruikt in afstelbare microgolfapparaten die een hoge afstembaarheid en lage lekstroom bieden.
- Paryleen wordt gebruikt in industriële coatings en fungeert als een barrière tussen de ondergrond en de externe omgeving.
- In elektrisch transformatoren worden minerale oliën gebruikt als een vloeibaar diëlektricum en helpen ze bij het koelproces.
- Ricinusolie wordt gebruikt in hoogspanningscondensatoren om de capaciteitswaarde te verhogen.
- Electrets, een speciaal bewerkt diëlektrisch materiaal, werkt als elektrostatisch equivalent aan magneten.
Veelgestelde vragen
1). Wat is het gebruik van diëlektricum in condensatoren?
Diëlektrica die in de condensator worden gebruikt, helpen het elektrische veld te verminderen, wat op zijn beurt de spanning verlaagt, waardoor de capaciteit toeneemt.
2). Welk diëlektrisch materiaal wordt veel gebruikt in condensatoren?
In condensatoren worden veel diëlektrische materialen zoals glas, keramiek, lucht, mica, papier, plastic folie gebruikt.
3). Welk materiaal heeft de hoogste diëlektrische sterkte?
Van een perfect vacuüm wordt opgemerkt dat het de hoogste diëlektrische sterkte heeft.
4). Zijn alle isolatoren diëlektrica?
Nee, hoewel de diëlektrica zich als isolatoren gedragen, zijn niet alle isolatoren diëlektrica.
Diëlektrica vormen dus een belangrijk onderdeel van condensatoren. Een goed diëlektrisch materiaal moet een goede diëlektrische constante, diëlektrische sterkte, lage verliesfactor, hoge temperatuurstabiliteit, hoge opslagstabiliteit en goede frequentierespons hebben en moet aangepast kunnen worden aan industriële processen. Diëlektrica spelen ook een cruciale rol in hoogfrequente elektronische schakelingen. Meting van diëlektrische eigenschappen van materiaal geeft informatie over de elektrische of magnetische eigenschappen ervan. Wat is een diëlektrische constante?
