Διηλεκτρικός

Ένας μονωτήρας ή ένας ιδιαίτερα κακός αγωγός ηλεκτρικού ρεύματος, όταν τοποθετούνται σε ηλεκτρικό πεδίο, τα διηλεκτρικά μεταφέρουν σχεδόν ελάχιστο ρεύμα, επειδή, σε αντίθεση με τα μέταλλα, δεν περιέχουν χαλαρά συνδεδεμένα ή ελεύθερα ηλεκτρόνια που μπορούν να παρασύρονται μέσω της ουσίας . Αντίθετα, λαμβάνει χώρα ηλεκτρική πόλωση. Τα θετικά φορτία στο διηλεκτρικό μετατοπίζονται ελάχιστα προς την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου, ενώ τα αρνητικά φορτία μετατοπίζονται ελάχιστα προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτός ο μικρός διαχωρισμός ή η πόλωση φορτίου μειώνει το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο διηλεκτρικό.

Άλλα ηλεκτρικά φαινόμενα επηρεάζονται από την παρουσία διηλεκτρικών ουσιών. Η δύναμη μεταξύ δύο ηλεκτρικών φορτίων σε ένα διηλεκτρικό μέσο είναι μικρότερη από ό,τι στο κενό, αλλά η ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο ανά μονάδα όγκου ενός διηλεκτρικού μέσου είναι μεγαλύτερη. Ένας πυκνωτής γεμάτος με διηλεκτρικό έχει μεγαλύτερη χωρητικότητα από έναν πυκνωτή κενού. Σε μεγάλη ή μακροσκοπική κλίμακα, οι επιδράσεις του διηλεκτρικού στα ηλεκτρικά φαινόμενα εξηγούνται χρησιμοποιώντας όρους όπως διηλεκτρική σταθερά, διαπερατότητα και ηλεκτρική πόλωση.

Τι είναι το διηλεκτρικό;

Ένα διηλεκτρικό υλικό είναι μια ουσία που άγει τον ηλεκτρισμό ελάχιστα αλλά υποστηρίζει αποτελεσματικά τα ηλεκτροστατικά πεδία.

Ένα ηλεκτροστατικό πεδίο μπορεί να αποθηκεύσει ενέργεια εάν η ροή του ρεύματος μεταξύ των αντίθετων πόλων ηλεκτρικού φορτίου διατηρείται στο ελάχιστο και οι ηλεκτροστατικές γραμμές ροής δεν παρεμποδίζονται ή διακόπτονται. Αυτή η δυνατότητα είναι πολύ χρήσιμη σε πυκνωτές σε ραδιοσυχνότητες. Οι γραμμές μετάδοσης ραδιοσυχνοτήτων κατασκευάζονται επίσης με διηλεκτρικά υλικά.

Η πλειονότητα των διηλεκτρικών υλικών είναι στερεά σε φάση. Πορσελάνη (κεραμική), μαρμαρυγία, γυαλί, πολυμερή και οξείδια μετάλλων είναι μερικά μόνο παραδείγματα.

Διηλεκτρικά υλικά μπορούν να βρεθούν σε ορισμένα υγρά και αέρια. Ο ξηρός αέρας είναι ένα καλό διηλεκτρικό υλικό που χρησιμοποιείται σε μεταβλητούς πυκνωτές και σε ορισμένες γραμμές μεταφοράς. Το απεσταγμένο νερό έχει καλή διηλεκτρική ιδιότητα. Το κενό είναι ένα διηλεκτρικό που είναι εξαιρετικά αποδοτικό.

Ιδιότητες διηλεκτρικού υλικού

Όταν θετικά φορτία σε διηλεκτρικά υλικά εκτίθενται σε ηλεκτρικό πεδίο, μετατοπίζονται προς την κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου. Τα αρνητικά φορτία μετατοπίζονται προς την αντίθετη κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου. Η διηλεκτρική πόλωση προκύπτει ως αποτέλεσμα αυτού.

Τα ηλεκτρικά φορτία δεν ρέουν μέσα από την ουσία γενικά. Το διηλεκτρικό πεδίο μειώνεται από την πόλωση.

Ο William Whewell επινόησε τη φράση "διηλεκτρικό". Μια τέλεια διηλεκτρική ουσία δεν έχει ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ένα διηλεκτρικό, όπως ένας ιδανικός πυκνωτής, αποθηκεύει και διαχέει ηλεκτρική ενέργεια. Η ηλεκτρική επιδεκτικότητα, η διηλεκτρική πόλωση, η διηλεκτρική διασπορά, η διηλεκτρική χαλάρωση, η δυνατότητα συντονισμού και πολλές άλλες ιδιότητες είναι από τις πιο σημαντικές που παρουσιάζει ένα διηλεκτρικό.

Διαφορικοί τύποι διηλεκτρικού υλικού

Τα διηλεκτρικά υλικά περιλαμβάνουν το κενό, τα στερεά, τα υγρά και τα αέρια.

Τα κεραμικά, το χαρτί, η μαρμαρυγία, το γυαλί και άλλα στερεά διηλεκτρικά υλικά είναι παραδείγματα.

Απεσταγμένο νερό, λάδι μετασχηματιστή και άλλες υγρές διηλεκτρικές ενώσεις είναι παραδείγματα.

Το άζωτο, ο ξηρός αέρας, το ήλιο, τα οξείδια μετάλλων και άλλα αέρια διηλεκτρικά είναι παραδείγματα. Ένα διηλεκτρικό είναι επίσης ένα τέλειο κενό.

Εφαρμογή διηλεκτρικού υλικού

Τα διηλεκτρικά χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή πυκνωτών. Αυτά μπορούν να αποθηκεύσουν ενέργεια στο ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των πλακών, να φιλτράρουν τον θόρυβο από τα σήματα ως μέρος ενός κυκλώματος συντονισμού και να στείλουν μια έκρηξη ισχύος σε άλλο εξάρτημα, μεταξύ άλλων.

Ορισμένες εφαρμογές διηλεκτρικών βασίζονται στις ηλεκτρικά μονωτικές τους ιδιότητες παρά στην ικανότητα αποθήκευσης φορτίου, επομένως η υψηλή ηλεκτρική ειδική αντίσταση και η χαμηλή διηλεκτρική απώλεια είναι οι πιο επιθυμητές ιδιότητες εδώ.

Η πιο προφανής από αυτές τις χρήσεις είναι η μόνωση για καλώδια, καλώδια κ.λπ., αλλά υπάρχουν και εφαρμογές σε συσκευές αισθητήρων. Για παράδειγμα, είναι δυνατό να κατασκευαστεί ένας τύπος μετρητή καταπόνησης εξατμίζοντας μια μικρή ποσότητα μετάλλου στην επιφάνεια ενός λεπτού φύλλου διηλεκτρικού υλικού.

Διηλεκτρική φόρτιση

Όταν μεγάλα ηλεκτρικά πεδία τοποθετούνται κατά μήκος του λεπτού διηλεκτρικού στρώματος ενός πυκνωτή ή όταν υποβάλλεται σε ιονίζουσα ακτινοβολία, συμβαίνει διηλεκτρική φόρτιση. Η φόρτιση του διηλεκτρικού στους διακόπτες RF MEMS με διηλεκτρικό είναι ένα μεγάλο ζήτημα, ειδικά όταν ο χωρητικός διακόπτης RF MEMS βρίσκεται στην κάτω θέση, αγγίζοντας το διηλεκτρικό. Η φόρτιση προκαλεί αλλαγή στις τάσεις έλξης και εξαγωγής, η οποία τελικά οδηγεί σε κόλλημα της συσκευής. Τα φορτία που συσσωρεύονται κοντά σε ηλεκτρόδια ενεργοποίησης ή στο υπόστρωμα ενδέχεται να προκαλέσουν προβλήματα στους συντονιστές.

Συμπέρασμα

Τα θετικά φορτία στο διηλεκτρικό μετατοπίζονται ελάχιστα προς την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου, ενώ τα αρνητικά φορτία μετατοπίζονται ελάχιστα προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η δύναμη μεταξύ δύο ηλεκτρικών φορτίων σε ένα διηλεκτρικό μέσο είναι μικρότερη από ό,τι στο κενό, αλλά η ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο ανά μονάδα όγκου ενός διηλεκτρικού μέσου είναι μεγαλύτερη. Σε μεγάλη ή μακροσκοπική κλίμακα, οι επιδράσεις του διηλεκτρικού στα ηλεκτρικά φαινόμενα εξηγούνται χρησιμοποιώντας όρους όπως διηλεκτρική σταθερά, διαπερατότητα και ηλεκτρική πόλωση. Η πλειοψηφία των διηλεκτρικών υλικών είναι στερεά στην πράξη. Οι ιδιότητες του διηλεκτρικού υλικού όταν τα θετικά φορτία σε διηλεκτρικά υλικά εκτίθενται σε ηλεκτρικό πεδίο, μετατοπίζονται προς την κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου.