מהו חומר דיאלקטרי - מאפיינים ויישומיו

החומרים מסווגים כמוליכים, מבודדים ו מוליכים למחצה בהתבסס על תכונות ההולכה החשמלית שלהם. כל חומר מורכב ממולקולות אשר בתורן מורכבות מאטומים. כאשר הם נתונים לשדה חשמלי אטומים אלה בחומר עוברים תזוזות מסוימות ושינויים בתכונות. באוקטובר 1745, ניסוי שערך אוולד גאורג פון קלייסט הגרמני על ידי חיבור גנרטור אלקטרוסטטי במתח גבוה לנפח מים שנאסף בצנצנת כף יד באמצעות חוט הראה כי ניתן לאחסן מטען. באמצעות תופעה זו המציא פיטר ואן מוסשנברוק את הקבל הראשון שנקרא 'צנצנת ליידן'. המאפיין החומרי החדש שתמך בהמצאה זו היה 'דיאלקטרי'.

מהי הדיאלקטרי?

כל חומר מורכב מאטומים. אטומים מכילים חלקיקים טעונים שלילית וחיוביים. הגרעין המרכזי של האטום טעון באופן חיובי. בכל חומר, האטומים מסודרים כ- דיפולות מיוצג עם מטען חיובי ושלילי בסופו. כאשר חומרים אלה נתונים לשדה חשמלי מתקיים רגע דיפול.

חומר מוליך מתחיל להתנהל כשמופעלים חשמל. מבודד מתנגד לזרימת החשמל מכיוון שאין במבנהו אלקטרונים נעים חופשיים. אך דיאלקטרי הוא סוג מיוחד של מבודד שאינו מוליך חשמל אלא מקוטב כאשר הוא נתון לחשמל.

קיטוב-בדיאלקטרי

בחומרים דיאלקטריים, כאשר הם נתונים לשדה החשמלי המטענים החיוביים הקיימים בחומר נעקרים לכיוון השדה החשמלי המופעל. המטענים השליליים מועברים בכיוון ההפוך לשדה החשמלי המופעל. זה מוביל לקיטוב דיאלקטרי. בחומר דיאלקטרי מטענים חשמליים אינם זורמים דרך החומר. קיטוב מקטין את השדה הכולל של הדיאלקטרי.

מאפייני דיאלקטרי

המונח דיאלקטרי הוצג לראשונה על ידי ויליאם וויוול. זהו השילוב של שתי מילים - 'דיא' ו'חשמלי '. המוליכות החשמלית של דיאלקטריה מושלמת היא אפס. דיאלקטריה מאחסנת ומפיצה את האנרגיה החשמלית בדומה לקבל אידיאלי. חלק מהמאפיינים העיקריים של חומר דיאלקטרי הם רגישות חשמלית, קיטוב דיאלקטרי, פיזור דיאלקטרי, הרפיה דיאלקטרית, כוונון וכו '...

רגישות חשמלית

באיזו קלות ניתן לקטב חומר דיאלקטרי כאשר הוא נתון לשדה חשמלי נמדד על פי הרגישות החשמלית. כמות זו קובעת גם את החדירות החשמלית של החומר.

קיטוב דיאלקטרי

רגע דיפול חשמלי הוא מדד להפרדה של מטען שלילי וחיובי במערכת. הקשר בין רגע הדיפול (M) לבין השדה החשמלי (E) מוליד את המאפיינים של דיאלקטרי. כאשר מסירים את השדה החשמלי המופעל האטום חוזר למצבו המקורי. זה קורה באופן ריקבון מעריכי. הזמן שלוקח לאטום להגיע למצבו המקורי מכונה זמן הרפיה.

קיטוב מוחלט

ישנם שני גורמים הקובעים את קיטוב הדיאלקטרי. הם היווצרות רגע הדיפול והמנח שלהם ביחס לשדה החשמלי. בהתבסס על סוג הדיפול האלמנטרי יכול להיות קיטוב אלקטרוני או קיטוב יוני. קיטוב אלקטרוני P_הואמתרחשת כאשר המולקולות הדיאלקטריות היוצרות את הרגע הדיפול מורכבות מחלקיקים ניטרליים.

קיטוב יוני P_אניוהקיטוב האלקטרוני שניהם אינם תלויים בטמפרטורה. רגעי דיפול קבועים מיוצרים במולקולות כאשר ישנה התפלגות מטען א-סימטרית בין אטומים שונים. במקרים כאלה, קיטוב אוריינטציה P_אוֹנצפה. אם קיים מטען בחינם בחומר הדיאלקטרי זה יוביל לקיטוב מטעני החלל P_ס. הקיטוב הכולל של הדיאלקטרי כולל את כל המנגנונים הללו. לפיכך הקיטוב הכולל של החומר הדיאלקטרי הוא

פ_{סך הכל}= P_אני+ P_הוא+ P_אוֹ+ P_ס

פיזור דיאלקטרי

כאשר P הוא הקיטוב המקסימלי שמושג הדיאלקטרי, t_רהוא זמן ההרפיה לתהליך קיטוב מסוים, ניתן לבטא את תהליך הקיטוב הדיאלקטרי כ-

P (t) = P [1-exp (-t / t_ר]]

זמן הרגיעה משתנה בתהליכי קיטוב שונים. קיטוב אלקטרוני מהיר מאוד ואחריו קיטוב יוני. קיטוב כיוון הוא איטי יותר מקיטוב יוני. קיטוב מטעני החלל איטי מאוד.

התמוטטות דיאלקטרית

כאשר מיישמים שדות חשמליים גבוהים יותר, המבודד מתחיל להתנהל ומתנהג כמוליך. בתנאים כאלה, חומרים דיאלקטריים מאבדים את תכונותיהם הדיאלקטריות. תופעה זו ידועה בשם התמוטטות דיאלקטרית. זהו תהליך בלתי הפיך. זה מוביל לכישלון של חומרים דיאלקטריים.

סוגי חומר דיאלקטרי

דיאלקטריה מסווגת על פי סוג המולקולה הקיימת בחומר. ישנם שני סוגים של דיאלקטריה - דיאלקטריה קוטבית ודיאלקטריה לא קוטבית.

דיאלקטריקה קוטבית

בדיאלקטריה קוטבית מרכז המסה של חלקיקים חיוביים אינו עולה בקנה אחד עם מרכז המסה של חלקיקים שליליים. כאן קיים רגע הדיפול. המולקולות הן בצורה לא סימטרית. כאשר מריחים את השדה החשמלי המולקולות מיישרות את עצמן עם השדה החשמלי. כאשר מסירים את השדה החשמלי נצפה רגע דיפול אקראי ורגע הדיפול הנקי במולקולות הופך לאפס. דוגמאות לכך הן H2O, CO2 וכו '...

דיאלקטריקה לא קוטבית

בדיאלקטריה הלא-קוטבית מרכז המסה של חלקיקים חיוביים וחלקיקים שליליים חופף. אין רגע דיפול במולקולות האלה. מולקולות אלה הן בצורה סימטרית. דוגמאות לדיאלקטריות לא קוטביות הן H2, N2, O2 וכו '...

דוגמאות לחומר דיאלקטרי

חומרים דיאלקטריים יכולים להיות מוצקים, נוזלים, גזים ואקום. דיאלקטריה מוצקה משמשת מאוד בהנדסת חשמל. כמה דוגמאות לדיאלקטריות שנמכרו הן חרסינה, קרמיקה, זכוכית, נייר וכו '... אוויר יבש, חנקן, גופרית פלואוריד ותחמוצות של מתכות שונות הם דוגמאות לדיאלקטריה גזית. מים מזוקקים, שמן שנאי הם דוגמאות נפוצות לדיאלקטריה נוזלית.

יישומים של חומר דיאלקטרי

חלק מהיישומים של דיאלקטריה הם כדלקמן -

• אלה משמשים לאחסון אנרגיה ב קבלים .
• כדי לשפר את הביצועים של מכשיר מוליך למחצה, משתמשים בחומרים דיאלקטריים בעלי פוטנציאל גבוה.
• דיאלקטריה משמשת ב תצוגות גביש נוזלי.
• דיאלקטרי קרמי משמש במתנד תהודה דיאלקטרי.
• סרטים דקים של בריום סטרונציום טיטנאט הם דיאלקטריים המשמשים במכשירים מכוונים למיקרוגל המספקים כוונון גבוה וזרם דליפה נמוך.
• פרילן משמשת לציפויים תעשייתיים משמשת כמחסום בין המצע לסביבה החיצונית.
• בחשמל רוֹבּוֹטרִיקִים , שמנים מינרליים משמשים כחומר דיאלקטרי נוזלי והם מסייעים בתהליך הקירור.
• שמן קיק משמש בקבלים במתח גבוה כדי להגדיל את ערך הקיבול שלו.
• Electrets, חומר דיאלקטרי שעובד במיוחד משמש כשווה ערך אלקטרוסטטי למגנטים.

שאלות נפוצות

1). מה השימוש בדיאלקטרי בקבלים?

דיאלקטריה המשמשת בקבל מסייעת בהקטנת השדה החשמלי שבתורו מקטין את המתח ובכך מגדיל את הקיבול.

2). איזה חומר דיאלקטרי נמצא בשימוש נרחב בקבלים?

בקבלים נעשה שימוש נרחב בחומרים דיאלקטריים כמו זכוכית, קרמיקה, אוויר, נציץ, נייר, סרט פלסטיק.

3). איזה חומר בעל חוזק דיאלקטרי הגבוה ביותר?

ואקום מושלם מצוין בעל חוזק דיאלקטרי הגבוה ביותר.

4). האם כל המבודדים הם דיאלקטריים?

לא, למרות שהדיאלקטריה מתנהגת כמבודדים, לא כל המבודדים הם דיאלקטריים.

לפיכך, דיאלקטריה מהווה חלק חשוב בקבלים. חומר דיאלקטרי טוב צריך להיות קבוע דיאלקטרי טוב, חוזק דיאלקטרי, גורם אובדן נמוך, יציבות בטמפרטורה גבוהה, יציבות אחסון גבוהה, תגובת תדרים טובה ויש לשנותו לתהליכים תעשייתיים. דיאלקטריה ממלאת תפקיד חיוני גם במעגלים אלקטרוניים בתדרים גבוהים. מדידת תכונות דיאלקטריות של חומר נותנת מידע על מאפייניו החשמליים או המגנטיים. מהו קבוע דיאלקטרי?