Επίδραση ενός διηλεκτρικού στην χωρητικότητα

Πρέπει να έχετε ακούσει για τα διηλεκτρικά και την χωρητικότητα. Αλλά τι επίδραση έχει ένα διηλεκτρικό στην χωρητικότητα; Το διηλεκτρικό αναφέρεται στην ικανότητα επαγωγής φορτίων το ένα από το άλλο σε μια ουσία. Ένας πυκνωτής κατασκευάζεται με διηλεκτρικό υλικό. Διαθέτει δύο ξεχωριστές πλάκες, οι οποίες είναι παράλληλες. Ένα διηλεκτρικό σε χωρητικότητα σημαίνει ότι ένας ηλεκτρικός μονωτήρας μπορεί να πολωθεί εάν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο.

Ένα κοινό παράδειγμα διηλεκτρικών στους πυκνωτές είναι το μονωτικό υλικό μεταξύ των πυκνωτών και μεταξύ των πλακών του. Όλα τα υλικά που είναι διηλεκτρικά είναι και μονωτικά. Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση οποιασδήποτε ηλεκτρικής ενέργειας έχοντας έναν μονωτή ή μη αγώγιμο υλικό, το οποίο ονομάζεται διηλεκτρικό.

Ένα ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται όταν όλοι οι φορείς φορτίου αφαιρούνται από τους πυκνωτές. Αυτή η ενέργεια αποθηκεύεται μέσω ηλεκτρικών πεδίων.

Διηλεκτρικά σε πυκνωτές

Τα διηλεκτρικά στους πυκνωτές έχουν διάφορες χρήσεις, αποτελέσματα και εφαρμογές, όπως είδαμε παραπάνω. Τα διηλεκτρικά έχουν ορισμένες ιδιότητες και φύση που τα καθιστούν κατάλληλα για χρήση σε πυκνωτές. Πολλοί παράγοντες όπως το ηλεκτρικό πεδίο, οι φορείς φορτίου, η διαπερατότητα, η σχετική διαπερατότητα κ.λπ., μπορούν να επηρεάσουν την χωρητικότητα του πυκνωτή στον οποίο εισάγεται το διηλεκτρικό υλικό.

Οι πυκνωτές θα έχουν διαφορετική χωρητικότητα εάν είναι μερικώς ή γεμισμένοι από το διηλεκτρικό. Επίσης, διαφορετικοί τύποι διηλεκτρικού επηρεάζουν διαφορετικά την χωρητικότητα. Αυτό συμβαίνει επειδή κάθε διηλεκτρικό υλικό έχει διαφορετικές ιδιότητες.

Το ηλεκτρικό πεδίο που προκαλείται από το διηλεκτρικό υλικό στις πλάκες πυκνωτών, οι οποίες είναι παράλληλες, βρίσκεται στην αντίθετη κατεύθυνση από το ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο προηγουμένως υπήρχε λόγω της ουσίας ή του πυκνωτή.

Επίδραση των διηλεκτρικών στην χωρητικότητα 

• Τα διηλεκτρικά είναι κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. μπορούν να αποθηκεύουν ηλεκτρικά φορτία.
• Η ενέργεια που εκπέμπουν είναι γενικά με τη μορφή θερμότητας.
• Τα διηλεκτρικά τοποθετούνται ανάμεσα σε δύο πλάκες των πυκνωτών, οι οποίες είναι παράλληλες ώστε να μπορούν να καταλαμβάνουν το χώρο μεταξύ τους.
• Το ηλεκτρικό πεδίο πολώνει το διηλεκτρικό στις παράλληλες πλάκες του πυκνωτή.
• Εάν το διηλεκτρικό προστεθεί στον πυκνωτή, η πυκνότητά του αυξάνεται σε σύγκριση με την τιμή κενού.
• Η χωρητικότητα του πυκνωτή είναι ευθέως ανάλογη με το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των παράλληλων πλακών του πυκνωτή.
• Η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου μειώνεται όταν το διηλεκτρικό τοποθετείται σε αυτό.
• Το διηλεκτρικό τελικά αυξάνει την χωρητικότητα.

Γιατί χρησιμοποιούνται διηλεκτρικά στους πυκνωτές;

• Τα διηλεκτρικά υλικά έχουν πολύ μεγάλο ενεργειακό κενό μεταξύ τους.
• Τα διηλεκτρικά υλικά έχουν υψηλή ειδική αντίσταση.
• Η αντίσταση έχει αρνητικό συντελεστή θερμοκρασίας και έχει υψηλή αντίσταση μόνωσης.
• Στα διηλεκτρικά, η έλξη του πυρήνα και των ηλεκτρονίων είναι πολύ υψηλή και ισχυρή.
• Στα διηλεκτρικά υλικά, δεν υπάρχει ρεύμα λόγω της απουσίας ελεύθερων ηλεκτρονίων. Γι' αυτό έχουν χαμηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Σημειώσεις για τα διηλεκτρικά και την χωρητικότητα 

Εάν το διηλεκτρικό υπάρχει στον πυκνωτή, η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου μειώνεται συγκριτικά. Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών πυκνωτών μειώνεται επειδή το συνολικό φορτίο στις παράλληλες πλάκες διατηρείται σταθερό.

Πριν την εισαγωγή του διηλεκτρικού, η χωρητικότητα ενός υλικού είναι C=εoA/d. Μετά τη διηλεκτρική εισαγωγή, η χωρητικότητα του υλικού αυξάνεται κατά 'k', C=kεoA/d.

Σημειώσεις για διηλεκτρική επίδραση στην χωρητικότητα 

Η χωρητικότητα προκύπτει από την ηλεκτρική ροή, η οποία είναι μηδενική μέσα στην πηγή όταν το διηλεκτρικό εισάγεται σε αυτήν. Αυτό συμβαίνει ως εξής: 

Το διηλεκτρικό παράγει το ηλεκτρικό του πεδίο όταν τοποθετείται στις παράλληλες πλάκες του πυκνωτή. Αυτό προκαλείται λόγω της πόλωσης των χρεώσεων. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο βρίσκεται στην αντίθετη κατεύθυνση από το ηλεκτρικό πεδίο που υπήρχε αρχικά στην ουσία. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη συνολική μηδενική ηλεκτρική ροή.

Εάν η τάση διατηρηθεί σταθερή, θα υπάρξει αύξηση του φορτίου του πυκνωτή.

Το δυναμικό στον πυκνωτή θα μειωθεί εάν ο πυκνωτής δεν είναι συνδεδεμένος ή η φόρτιση διατηρείται σταθερή.

C=εoA/d ή C=kεoA/d 

Διηλεκτρικό σε χωρητικότητα εάν οι παράλληλες πλάκες είναι γεμάτες με διηλεκτρικό

Εάν η περιοχή μεταξύ των πλακών είναι γεμάτη με διηλεκτρικό διηλεκτρικής σταθεράς k, η χωρητικότητα θα δοθεί από το C =k×Co.

Η ηλεκτρική ένταση θα μειωθεί κατά k φορές.

Και μετά, η χωρητικότητα του πυκνωτή με την προσθήκη του διηλεκτρικού θα αυξηθεί κατά k φορές.

Διηλεκτρικό σε χωρητικότητα εάν οι παράλληλες πλάκες είναι μερικώς γεμάτες με διηλεκτρικό 

Εάν η περιοχή μεταξύ των πλακών είναι μερικώς γεμάτη με διηλεκτρικό, τότε η χωρητικότητα γίνεται C=Aɛo/{d+t(1/k-1)}

Συμπέρασμα 

Δεν ρέει ρεύμα μέσω των διηλεκτρικών επειδή είναι φτωχοί αγωγοί ηλεκτρικού ρεύματος και ηλεκτρικού φορτίου. Τα διηλεκτρικά δεν έχουν καμία χρήση στους αγωγούς. Τα άτομα του διηλεκτρικού υλικού δεν είναι ιονισμένα, μάλλον είναι πολωμένα.

Για παράδειγμα, εάν φέρετε οποιοδήποτε αρνητικά φορτισμένο αντικείμενο κοντά στο διηλεκτρικό, τα ηλεκτρόνια του θα απωθούνται, πράγμα που σημαίνει ότι μια θετικά φορτισμένη πλευρά είναι στραμμένη προς το αρνητικά φορτισμένο αντικείμενο.

Προϋπόθεση για να είναι ένα διηλεκτρικό καλό διηλεκτρικό υλικό είναι να μην είναι μόνο μονωτικό αλλά και να μην ιονίζεται σε καμία περίπτωση. Ένα καλύτερο διηλεκτρικό υλικό μπορεί να είναι αυτό που μπορεί να αποδώσει σε υψηλές θερμοκρασίες για πυκνωτές.

Οι πυκνωτές με διηλεκτρικά υλικά σε αυτούς έχουν ένα ευρύ φάσμα χρήσεων στη βιομηχανία και τη χημεία.