Γιατί χρησιμοποιούμε διηλεκτρικά σε πυκνωτές;

Τα διηλεκτρικά χρησιμοποιούνται στους πυκνωτές για την αύξηση της χωρητικότητας. Αυτό συμβαίνει επειδή τα διηλεκτρικά αυξάνουν την ικανότητα του μέσου μεταξύ των πλακών να αντιστέκεται στον ιονισμό, γεγονός που με τη σειρά του αυξάνει την χωρητικότητα.

Τα διηλεκτρικά είναι βασικά μονωτές, υλικά που είναι κακοί αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος. Σε αντίθεση με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια σε έναν αγωγό, τα ηλεκτρόνια του είναι συνδεδεμένα με τα άτομά του. Κατά συνέπεια, κανένα ρεύμα δεν μπορεί να ρέει μέσα από αυτό.

Ένα τέτοιο υλικό δεν έχει θέση σε αγώγιμες συσκευές, εκτός και αν χρησιμοποιείται για να μονωθεί, φυσικά. Ωστόσο, αν νομίζετε ότι τα διηλεκτρικά περιφρονούνται από τους μηχανικούς, κάνετε τρομερό λάθος. Στην πραγματικότητα, τα διηλεκτρικά είναι τόσο πανταχού παρόντα όσο και τα τρανζίστορ. Ανάμεσα σε κάθε πυκνωτή είναι τοποθετημένο ένα διηλεκτρικό, οι ίδιοι πυκνωτές χωρίς τους οποίους η οθόνη αφής σας θα ήταν απλώς ένα φύλλο γυαλιού. Πώς όμως ένας μονωτήρας ενισχύει την αποτελεσματικότητα ενός πυκνωτή;

Διάφορο μείγμα πυκνωτών

Πρώτα πρέπει να καταλάβουμε πώς λειτουργεί ένας πυκνωτής.

Ο πυκνωτής

Ένας πυκνωτής είναι μια συσκευή που αποτελείται από δύο παράλληλες μεταλλικές πλάκες τοποθετημένες πολύ κοντά η μία στην άλλη. Ο πρωταρχικός στόχος ενός πυκνωτή είναι η αποθήκευση φορτίου. Η φόρτιση μπορεί αργότερα να απελευθερωθεί για να οδηγήσει άλλα κυκλώματα. Αυτή η ιδιότητα την καθιστά πολύ χρήσιμη σε συσκευές όπως οι μετατροπείς. Ωστόσο, πριν αποδεσμεύσει τη χρέωση, πρέπει πρώτα να το αποκτήσει.

Ένας πυκνωτής τροφοδοτείται με φόρτιση συνδέοντας τις πλάκες του στους ακροδέκτες μιας μπαταρίας. Τώρα, επειδή τα μέταλλα είναι μια θάλασσα ελεύθερων ηλεκτρονίων, όταν τα ηλεκτρόνια που προέρχονται από το αρνητικό τερματικό φτάνουν στο μέταλλο, απωθούν βίαια τα ηλεκτρόνια στην επιφάνειά του. Η απωστική δύναμη εξουδετερώνει τη δύναμη που ασκείται στα ηλεκτρόνια από την μπαταρία, αποτρέποντάς τα από τη συσσώρευση στην πλάκα.

Τα ηλεκτρόνια που προέρχονται από τον αρνητικό ακροδέκτη φτάνουν στο μέταλλο όπου απωθούν βίαια τα ηλεκτρόνια στην επιφάνειά του εξουδετερώνοντας τη δύναμη που ασκείται στα ηλεκτρόνια από την μπαταρία.

Τα επιπλέον ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να φιλοξενηθούν εάν έλκονταν με κάποιο τρόπο από μια δύναμη μεγαλύτερη από τη δύναμη της απώθησης. Αυτό επιτυγχάνεται τοποθετώντας μια άλλη μεταλλική πλάκα παράλληλα με αυτήν. Η παράλληλη πλάκα συνδέεται στο θετικό άκρο της μπαταρίας. Σε εκείνο το σημείο, το θετικό τερματικό έλκει τα ηλεκτρόνια από την πλάκα με την οποία είναι συνδεδεμένο, καθιστώντας το θετικά φορτισμένο.

Τοποθετώντας μια άλλη παράλληλη μεταλλική πλάκα φιλοξενούνται τα επιπλέον ηλεκτρόνια.

Αυτή η θετικά φορτισμένη πλάκα θα παρέχει τώρα τη δύναμη έλξης που επιθυμούμε, πράγμα που σημαίνει ότι θα προσελκύει τα επιπλέον ηλεκτρόνια που μεταδίδονται από το αρνητικό τερματικό. Με αυτόν τον τρόπο, ο πυκνωτής θα αποθηκεύσει φορτίο. Αυτή η φόρτιση στην πλάκα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση ενός άλλου κυκλώματος απουσία μπαταρίας, συνδέοντας απλώς τα καλώδια στην αρνητική και τη θετική πλάκα, όπως είναι συνήθως στους δύο ακροδέκτες μιας μπαταρίας.

Γιατί τα διηλεκτρικά ενισχύουν την χωρητικότητα

Παρόλο που τα άτομα σε ένα διηλεκτρικό δεν μπορούν να ιονιστούν για να δημιουργήσουν ρεύμα, σίγουρα μπορούν να πολωθούν. Όταν κάποιος φέρνει ένα αρνητικά φορτισμένο αντικείμενο προς ένα διηλεκτρικό, τα ηλεκτρόνια στα άτομα του απωθούνται από αυτό. Αυτό δημιουργεί ένα καθαρό θετικό φορτίο στην πλευρά του διηλεκτρικού που βλέπει το αντικείμενο και, κατά συνέπεια, ένα καθαρό αρνητικό φορτίο στην αντίθετη πλευρά.

Τώρα, επειδή ένας στρατός θετικών φορτίων αντιμετωπίζει την αρνητική πλάκα, τα ηλεκτρόνια στην πλάκα είναι πλέον συνδεδεμένα με την πλάκα ακόμη πιο σφιχτά. Επίσης, επειδή η δεύτερη πλάκα βλέπει προς τα ηλεκτρόνια, τα ηλεκτρόνια της πλάκας απωθούνται πλέον με μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα. Αυτό θα προκαλέσει στην πρώτη πλάκα να συγκεντρώσει ακόμη μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρονίων, αυξάνοντας έτσι τη συνολική χωρητικότητα!

Η χωρητικότητα δίνεται από την αναλογία της διατομής των πλακών και την απόσταση μεταξύ τους. Η χωρητικότητα θα αυξηθεί εάν αυξήσουμε τη διατομή της πλάκας για τον προφανή λόγο ότι μια μεγαλύτερη πλάκα μπορεί να φιλοξενήσει περισσότερα φορτία. Η χωρητικότητα μειώνεται με την αύξηση της απόστασης μεταξύ των πλακών για τον απλό λόγο ότι μια αυξημένη απόσταση εξασθενεί τις ελκτικές δυνάμεις που παρασύρουν και δεσμεύουν τα ηλεκτρόνια στη δεύτερη πλάκα.

Ωστόσο, μόλις ανακαλύψαμε ότι η χωρητικότητα είναι επίσης άμεση συνάρτηση της ικανότητας του μέσου μεταξύ των πλακών να αντιστέκεται στον ιονισμό. Το μέτρο αυτής της ικανότητας δίνεται από τη διαπερατότητά της. Επομένως, η χωρητικότητα είναι ίση με την αναλογία της διατομής των πλακών και την απόσταση μεταξύ τους, πολλαπλασιαζόμενη με τη διαπερατότητα του μέσου μεταξύ τους.

Συμπερασματικά, ένα καλό διηλεκτρικό δεν είναι απλώς ένας μονωτήρας, αλλά ένα υλικό που αρνείται να ιονιστεί με οποιοδήποτε κόστος. Εξασφαλίζουν επίσης ότι οι πλάκες είναι πάντα χωρισμένες, αποτρέποντας έτσι την πιθανότητα βραχυκυκλώματος. Ένα ακόμη καλύτερο διηλεκτρικό είναι επίσης στιβαρό και ικανό να λειτουργεί σε υψηλότερες θερμοκρασίες.