WAT IS DE DIËLEKTRISCHE CONSTANTE? - FYSIEK - 2026

De diëlektrische constante is een waarde die is gekoppeld aan het materiaal dat tussen de platen van een condensator (of condensator - figuur 1) wordt geplaatst en waarmee de functie ervan kan worden geoptimaliseerd en vergroot. (Giancoli, 2006). Diëlektrisch is synoniem met elektrische isolator, dat wil zeggen dat het materialen zijn die de doorgang van elektrische stroom niet toelaten.

Deze waarde is belangrijk vanuit vele aspecten, aangezien het gebruikelijk is dat iedereen elektrische en elektronische apparatuur gebruikt in onze huizen, recreatieruimtes, onderwijs- of werkstations, maar we zijn ons zeker niet bewust van de ingewikkelde processen die plaatsvinden in deze apparatuur om te kunnen functioneren.

Figuur 1: verschillende soorten condensatoren.

Onze minicomponenten, televisies en multimedia-apparaten gebruiken bijvoorbeeld gelijkstroom voor hun functies, maar de huishoudelijke en industriële stromen die onze huizen en werkplekken bereiken, zijn wisselstromen. Hoe is dit mogelijk?.

Figuur 2: Elektrisch circuit van huishoudelijke apparatuur

Het antwoord op deze vraag ligt binnen dezelfde elektrische en elektronische apparatuur: condensatoren (of condensatoren). Deze componenten maken het onder andere mogelijk om wisselstroom naar gelijkstroom gelijkgericht te maken en hun functionaliteit hangt af van de geometrie of vorm van de condensator en het diëlektrische materiaal dat in het ontwerp aanwezig is.

Diëlektrische materialen spelen een belangrijke rol, omdat ze het mogelijk maken dat de platen waaruit de condensator bestaat heel dichtbij zijn, zonder elkaar aan te raken, en de ruimte tussen de platen volledig bedekken met diëlektrisch materiaal om de functionaliteit van de condensatoren te vergroten.

Oorsprong van de diëlektrische constante: condensatoren en diëlektrische materialen

De waarde van deze constante is een experimenteel resultaat, dat wil zeggen, het komt van de experimenten die zijn uitgevoerd met verschillende soorten isolatiematerialen en resulteren in hetzelfde fenomeen: verhoogde functionaliteit of efficiëntie van een condensator.

Condensatoren zijn geassocieerd met een fysieke grootheid genaamd capaciteit "C", die de hoeveelheid elektrische lading "Q" definieert die een condensator kan opslaan door een bepaald potentiaalverschil "∆V" te leveren (Vergelijking 1).

(Vergelijking 1)

Experimenten hebben geconcludeerd dat door de ruimte tussen de platen van een condensator volledig te bedekken met een diëlektrisch materiaal, de condensatoren hun capaciteit vergroten met een factor κ, de "diëlektrische constante" genoemd. (Vergelijking 2).

(Vergelijking 2)

Een illustratie van een vlakke parallelle plaatcondensator met capaciteit C opgeladen en dientengevolge met een uniform elektrisch veld naar beneden gericht tussen de platen is weergegeven in figuur 3.

Bovenaan de figuur staat de condensator met een vacuüm tussen de platen (vacuüm - permittiviteit ∊0). Vervolgens wordt onderaan dezelfde condensator met capaciteit C '> C gepresenteerd, met een diëlektricum tussen zijn platen (van permittiviteit ∊).

Figuur 3: Plan-parallelle plaatcondensator zonder diëlektricum en met diëlektricum.

Figueroa (2005) noemt drie functies voor diëlektrische materialen in condensatoren:

1. Ze maken een stijve en compacte constructie mogelijk met een kleine opening tussen de geleidende platen.
2. Ze laten een hogere spanning toe zonder ontlading te veroorzaken (het elektrische doorslagveld is groter dan dat van lucht)
3. Verhoogt de capaciteit van de condensator met een factor κ die bekend staat als de diëlektrische constante van het materiaal.

Zo geeft de auteur aan dat κ "de diëlektrische constante van het materiaal wordt genoemd en de respons van zijn moleculaire dipolen op een extern magnetisch veld meet". Dat wil zeggen, de diëlektrische constante is hoger naarmate de polariteit van de moleculen van het materiaal hoger is.

Atoommodellen van diëlektrica

Over het algemeen hebben materialen specifieke moleculaire arrangementen die afhankelijk zijn van de moleculen zelf en de elementen waaruit ze bestaan ​​in elk materiaal. Een van de moleculaire arrangementen die tussenkomen in diëlektrische processen is die van de zogenaamde "polaire moleculen" of gepolariseerd.

Bij polaire moleculen is er een scheiding tussen de middelste positie van de negatieve ladingen en de middelste positie van de positieve ladingen, waardoor ze elektrische polen hebben.

Het watermolecuul (figuur 4) is bijvoorbeeld permanent gepolariseerd omdat het midden van de positieve ladingsverdeling halverwege de waterstofatomen ligt. (Serway en Jewett, 2005).

Figuur 4: verdeling van het watermolecuul.

Terwijl in het BeH2-molecuul (berylliumhydride - Figuur 5), een lineair molecuul, geen polarisatie is, omdat het centrum van distributie van positieve ladingen (waterstofatomen) zich in het centrum van distributie van negatieve ladingen (beryllium) bevindt. , waardoor eventuele polarisatie wordt opgeheven. Dit is een niet-polair molecuul.

Figuur 5: Verdeling van een berylliumhydride-molecuul.

In dezelfde geest, wanneer een diëlektrisch materiaal in de aanwezigheid van een elektrisch veld E staat, zullen de moleculen uitlijnen als een functie van het elektrische veld, waardoor een oppervlakteladingsdichtheid ontstaat op de vlakken van het diëlektricum die naar de condensatorplaten zijn gericht.

Vanwege dit fenomeen is het elektrische veld in het diëlektricum kleiner dan het externe elektrische veld dat door de condensator wordt gegenereerd. De volgende illustratie (Figuur 6) toont een elektrisch gepolariseerd diëlektricum binnen een planair-parallelle plaatcondensator.

Het is belangrijk op te merken dat dit fenomeen gemakkelijker resulteert in polaire materialen dan in niet-polaire materialen, vanwege het bestaan ​​van gepolariseerde moleculen die efficiënter samenwerken in de aanwezigheid van het elektrische veld. Hoewel alleen de aanwezigheid van het elektrische veld de polarisatie van niet-polaire moleculen veroorzaakt, resulterend in hetzelfde fenomeen als bij polaire materialen.

Figuur 6: Modellen van de gepolariseerde moleculen van een diëlektricum als gevolg van het elektrische veld dat is ontstaan ​​in de geladen condensator.

Diëlektrische constante waarden in sommige materialen

Afhankelijk van de functionaliteit, economie en uiteindelijke bruikbaarheid van de condensatoren, worden verschillende isolatiematerialen gebruikt om hun prestaties te optimaliseren.

Materialen zoals papier zijn erg goedkoop, hoewel ze kunnen falen bij hoge temperaturen of in contact met water. Hoewel het rubber is, is het nog steeds kneedbaar maar resistenter. We hebben ook porselein, dat bestand is tegen hoge temperaturen, hoewel het zich niet naar behoefte aan verschillende vormen kan aanpassen.

Hieronder staat een tabel waarin de diëlektrische constante van sommige materialen is gespecificeerd, waarbij de diëlektrische constanten geen eenheden hebben (ze zijn dimensieloos):

Tabel 1: diëlektrische constanten van sommige materialen bij kamertemperatuur.

Enkele toepassingen van diëlektrische materialen

Diëlektrische materialen zijn belangrijk in de mondiale samenleving met een breed scala aan toepassingen, van terrestrische en satellietcommunicatie inclusief radiosoftware, GPS, omgevingsmonitoring via satellieten, onder andere. (Sebastian, 2010)

Verder beschrijven Fiedziuszko en anderen (2002) het belang van diëlektrische materialen voor de ontwikkeling van draadloze technologie, ook voor cellulaire telefonie. In hun publicatie beschrijven ze de relevantie van dit soort materialen bij de miniaturisatie van apparatuur.

In deze volgorde van ideeën heeft de moderniteit geleid tot een grote vraag naar materialen met hoge en lage diëlektrische constanten voor de ontwikkeling van een technologisch leven. Deze materialen zijn essentiële componenten voor internetapparaten in termen van gegevensopslagfuncties, communicatie en de prestaties van gegevensoverdracht. (Nalwa, 1999).

Referenties

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Diëlektrische materialen, apparaten en circuits. IEEE-transacties over microgolftheorie en -technieken, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Elektrische interactie. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García and Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FYSIEK. Te beginnen met applicaties. Mexico: PEARSON EDUCACION.
4. Nalwa, HS (Ed.). (1999). Handboek van materialen met lage en hoge diëlektrische constante en hun toepassingen, set met twee volumes. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Diëlektrische materialen voor draadloze communicatie. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Physics for Science and Engineering. Mexico: International Thomson Editores.