Materialien werden in Leiter, Isolatoren und eingeteilt Halbleiter basierend auf ihren elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften. Jedes Material besteht aus Molekülen, die wiederum aus Atomen bestehen. Wenn diese Atome im Material einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, unterliegen sie bestimmten Verschiebungen und Änderungen der Eigenschaften. Im Oktober 1745 zeigte ein Experiment von Ewald Georg von Kleist aus Deutschland, bei dem ein elektrostatischer Hochspannungsgenerator mit einem Draht an ein in einem Handgefäß gesammeltes Wasservolumen angeschlossen wurde, dass Ladung gespeichert werden kann. Mit diesem Phänomen erfand Pieter van Musschenbroek den ersten Kondensator namens „Leyden Jar“. Die neue Materialeigenschaft, die diese Erfindung stützte, war 'Dielektrikum'.

Was ist das Dielektrikum?

Jedes Material besteht aus Atomen. Atome enthalten sowohl negativ als auch positiv geladene Teilchen. Der zentrale Kern des Atoms ist positiv geladen. In jedem Material sind die Atome wie folgt angeordnet Dipole dargestellt mit einer positiven und negativen Ladung am Ende. Wenn diese Materialien einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, tritt ein Dipolmoment auf.

Ein Leitermaterial beginnt zu leiten, wenn Elektrizität angelegt wird. Ein Isolator wirkt dem Stromfluss entgegen, da er keine frei beweglichen Elektronen in seiner Struktur hat. Dielektrikum ist jedoch ein spezieller Isolatortyp, der keinen Strom leitet, sondern polarisiert, wenn er Elektrizität ausgesetzt wird.

Polarisation im Dielektrikum

Bei dielektrischen Materialien werden die im Material vorhandenen positiven Ladungen, wenn sie dem elektrischen Feld ausgesetzt werden, in Richtung des angelegten elektrischen Feldes verschoben. Die negativen Ladungen werden entgegengesetzt zum angelegten elektrischen Feld verschoben. Dies führt zu einer dielektrischen Polarisation. In dielektrischem Material fließen keine elektrischen Ladungen durch das Material. Die Polarisation reduziert das Gesamtfeld des Dielektrikums.

Eigenschaften des Dielektrikums

Der Begriff Dielektrikum wurde erstmals von William Whewell eingeführt. Es ist die Kombination von zwei Wörtern - 'Dia' und 'elektrisch'. Die elektrische Leitfähigkeit eines perfekten Dielektrikums ist Null. Ein Dielektrikum speichert und leitet die elektrische Energie ähnlich einem idealen Kondensator ab. Einige der Haupteigenschaften eines dielektrischen Materials sind elektrische Suszeptibilität, dielektrische Polarisation, dielektrische Dispersion, dielektrische Relaxation, Abstimmbarkeit usw.

Elektrische Anfälligkeit

Wie leicht ein dielektrisches Material polarisiert werden kann, wenn es einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, wird an der elektrischen Suszeptibilität gemessen. Diese Größe bestimmt auch die elektrische Durchlässigkeit des Materials.

Dielektrische Polarisation

Ein elektrisches Dipolmoment ist ein Maß für die Trennung von negativer und positiver Ladung im System. Die Beziehung zwischen dem Dipolmoment (M) und dem elektrischen Feld (E) führt zu den Eigenschaften des Dielektrikums. Wenn das angelegte elektrische Feld entfernt wird, kehrt das Atom in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Dies geschieht auf exponentielle Weise. Die Zeit, die das Atom benötigt, um seinen ursprünglichen Zustand zu erreichen, wird als Relaxationszeit bezeichnet.

Gesamtpolarisation

Es gibt zwei Faktoren, die die Polarisation des Dielektrikums bestimmen. Sie sind die Bildung des Dipolmoments und ihre Ausrichtung relativ zum elektrischen Feld. Basierend auf dem elementaren Dipoltyp kann es entweder eine elektronische Polarisation oder eine ionische Polarisation geben. Elektronische Polarisation P._isttritt auf, wenn die das Dipolmoment bildenden dielektrischen Moleküle aus neutralen Teilchen bestehen.

Ionenpolarisation P._ichund elektronische Polarisation sind beide temperaturunabhängig. Permanente Dipolmomente werden in den Molekülen erzeugt, wenn eine asymmetrische Ladungsverteilung zwischen verschiedenen Atomen besteht. In solchen Fällen ist die Orientierungspolarisation P._oderwird beobachtet. Wenn im dielektrischen Material eine freie Ladung vorhanden ist, würde dies zur Raumladungspolarisation P führen_s. Die Gesamtpolarisation des Dielektrikums beinhaltet alle diese Mechanismen. Somit ist die Gesamtpolarisation des dielektrischen Materials

P._Gesamt= P._ich+ P._ist+ P._oder+ P._s

Dielektrische Dispersion

Wenn P die maximale Polarisation ist, die durch das Dielektrikum erreicht wird, t_rIst die Relaxationszeit für einen bestimmten Polarisationsprozess, kann der dielektrische Polarisationsprozess ausgedrückt werden als

“3-Phasen-Wechselstromversorgung ”

P (t) = P [1-exp (-t / t_r)]

Die Relaxationszeit variiert für verschiedene Polarisationsprozesse. Die elektronische Polarisation erfolgt sehr schnell, gefolgt von der ionischen Polarisation. Die Orientierungspolarisation ist langsamer als die Ionenpolarisation. Die Polarisation der Raumladung ist sehr langsam.

Dielektrischer Durchschlag

Wenn höhere elektrische Felder angelegt werden, beginnt der Isolator zu leiten und verhält sich wie ein Leiter. Unter solchen Bedingungen verlieren dielektrische Materialien ihre dielektrischen Eigenschaften. Dieses Phänomen ist als dielektrischer Durchschlag bekannt. Es ist ein irreversibler Prozess. Dies führt zum Versagen dielektrischer Materialien.

Arten von dielektrischem Material

Dielektrika werden basierend auf der Art des im Material vorhandenen Moleküls kategorisiert. Es gibt zwei Arten von Dielektrika - polare Dielektrika und unpolare Dielektrika.

Polardielektrika

In polaren Dielektrika fällt der Massenschwerpunkt positiver Teilchen nicht mit dem Massenschwerpunkt negativer Teilchen zusammen. Hier existiert das Dipolmoment. Die Moleküle haben eine asymmetrische Form. Wenn das elektrische Feld angelegt wird, richten sich die Moleküle mit dem elektrischen Feld aus. Wenn das elektrische Feld entfernt wird, wird ein zufälliges Dipolmoment beobachtet und das Nettodipolmoment in den Molekülen wird Null. Beispiele sind H2O, CO2 usw.

Unpolare Dielektrika

In den unpolaren Dielektrika fallen die Massenschwerpunkte von positiven und negativen Partikeln zusammen. In diesen Molekülen gibt es kein Dipolmoment. Diese Moleküle haben eine symmetrische Form. Beispiele für unpolare Dielektrika sind H2, N2, O2 usw.

Beispiele für dielektrisches Material

Dielektrische Materialien können Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase und Vakuum sein. Feste Dielektrika werden in der Elektrotechnik häufig eingesetzt. Einige Beispiele für verkaufte Dielektrika sind Porzellan, Keramik, Glas, Papier usw. Trockene Luft, Stickstoff, Schwefelhexafluorid und die Oxide verschiedener Metalle sind Beispiele für gasförmige Dielektrika. Destilliertes Wasser und Transformatoröl sind gängige Beispiele für flüssige Dielektrika.

Anwendungen von dielektrischem Material

Einige der Anwendungen von Dielektrika sind wie folgt:

Diese werden zur Energiespeicherung in verwendet Kondensatoren .
Um die Leistung einer Halbleitervorrichtung zu verbessern, werden dielektrische Materialien mit hoher Permittivität verwendet.
Dielektrika werden in verwendet Flüssigkristallanzeigen.
Keramisches Dielektrikum wird in dielektrischen Resonatoroszillatoren verwendet.
Barium-Strontium-Titanat-Dünnfilme sind dielektrisch und werden in durch Mikrowellen abstimmbaren Vorrichtungen verwendet, die eine hohe Abstimmbarkeit und einen geringen Leckstrom bieten.
Parylen wird in Industrielacken verwendet und wirkt als Barriere zwischen dem Substrat und der äußeren Umgebung.
In elektrischer Transformer Mineralöle werden als flüssiges Dielektrikum verwendet und unterstützen den Abkühlungsprozess.
Rizinusöl wird in Hochspannungskondensatoren verwendet, um den Kapazitätswert zu erhöhen.
Elektrets, ein speziell verarbeitetes dielektrisches Material, wirkt als elektrostatisches Äquivalent zu Magneten.

FAQs

1). Was ist die Verwendung von Dielektrikum in Kondensatoren?

Die im Kondensator verwendeten Dielektrika tragen dazu bei, das elektrische Feld zu verringern, was wiederum die Spannung verringert und dadurch die Kapazität erhöht.

2). Welches dielektrische Material wird häufig in Kondensatoren verwendet?

In Kondensatoren werden häufig dielektrische Materialien wie Glas, Keramik, Luft, Glimmer, Papier und Kunststofffolien verwendet.

3). Welches Material hat die höchste Durchschlagfestigkeit?

Es wird festgestellt, dass ein perfektes Vakuum die höchste Durchschlagfestigkeit aufweist.

4). Sind alle Isolatoren Dielektrika?

Nein, obwohl sich die Dielektrika wie Isolatoren verhalten, sind nicht alle Isolatoren Dielektrika.

Dielektrika bilden daher einen wichtigen Bestandteil von Kondensatoren. Ein gutes dielektrisches Material sollte eine gute Dielektrizitätskonstante, Spannungsfestigkeit, einen geringen Verlustfaktor, eine hohe Temperaturstabilität, eine hohe Lagerstabilität und einen guten Frequenzgang aufweisen und an industrielle Prozesse anpassbar sein. Dielektrika spielen auch in elektronischen Hochfrequenzschaltungen eine wichtige Rolle. Die Messung der dielektrischen Eigenschaften des Materials gibt Auskunft über seine elektrischen oder magnetischen Eigenschaften. Was ist eine Dielektrizitätskonstante?