Care este constanta dielectrică?

constantă dielectrică Este o valoare asociată cu materialul care este plasat între plăcile unui condensator (sau condensator - Figura 1) și care permite optimizarea și creșterea funcției sale. (Giancoli, 2006). Dielectricul este sinonim cu izolatorul electric, adică sunt materiale care nu permit trecerea curentului electric.

Această valoare este importantă din multe aspecte, deoarece este obișnuit ca toată lumea să utilizeze echipamente electrice și electronice în casele noastre, spațiile de agrement, educaționale sau stațiile de lucru, dar cu siguranță nu suntem conștienți de procesele complicate care apar în aceste echipamente pentru a putea funcționa ..

De exemplu, minicomponentele, televizoarele și dispozitivele noastre multimedia folosesc curent continuu pentru funcțiile lor, dar curenții domestici și industriali care ajung la casele și la locul de muncă sunt curenți alternativi. Cum este posibil acest lucru?.

Răspunsul la această întrebare se află în cadrul aceluiași echipament electric și electronic: condensatori (sau condensatori). Aceste componente permit, printre altele, să facă posibilă rectificarea curentului alternativ la curent continuu și funcționalitatea lor depinde de geometria sau forma condensatorului și de materialul dielectric prezent în proiectarea acestuia..

Materialele dielectrice joacă un rol important, deoarece permit plăcilor care alcătuiesc condensatorul să fie foarte aproape, fără să se atingă și acoperă complet spațiul dintre plăcile menționate cu material dielectric pentru a crește funcționalitatea condensatoarelor..

Indice articol

• 1 Originea constantei dielectrice: condensatori și materiale dielectrice
• 2 Modele atomice de dielectric
• 3 Valorile constantei dielectrice în unele materiale
• 4 Unele aplicații ale materialelor dielectrice
• 5 Referințe

Originea constantei dielectrice: condensatori și materiale dielectrice

Valoarea acestei constante este un rezultat experimental, adică provine din experimente efectuate cu diferite tipuri de materiale izolante și care au ca rezultat același fenomen: funcționalitate sporită sau eficiență a unui condensator..

Condensatoarele au asociat o cantitate fizică numită capacitate "C" și care definește cantitatea de încărcare electrică "Q" pe care un condensator o poate stoca furnizând o anumită diferență de potențial "∆V" (ecuația 1).

Experimentele au ajuns la concluzia că, acoperind complet spațiul dintre plăcile unui condensator cu un material dielectric, condensatorii își măresc capacitatea cu un factor κ, numit „constanta dielectrică”. (Ecuația 2).

În figura 3 este prezentată o ilustrare a unui condensator C cu capacitate plată paralelă încărcată și, în consecință, cu un câmp electric uniform îndreptat în jos între plăcile sale..

În partea superioară a figurii se află condensatorul cu vid între plăcile sale (vid - permitivitate ∊0). Apoi, în partea de jos, este prezentat același condensator cu capacitate C '> C, cu un dielectric între plăcile sale (de permitivitate ∊).

Figueroa (2005), enumeră trei funcții pentru materialele dielectrice în condensatori:

1. Acestea permit o construcție rigidă și compactă, cu un mic spațiu între plăcile conductoare.
2. Permit aplicarea unei tensiuni mai mari fără a provoca o descărcare (câmpul electric defect este mai mare decât cel al aerului)
3. Crește capacitatea condensatorului cu un factor κ cunoscut sub numele de constanta dielectrică a materialului.

Astfel, autorul indică faptul că, κ "se numește constanta dielectrică a materialului și măsoară răspunsul dipolilor săi moleculari la un câmp magnetic extern". Adică, constanta dielectrică este mai mare cu cât polaritatea moleculelor materialului este mai mare..

Modele atomice de dielectric

Materialele au, în general, aranjamente moleculare specifice care depind de moleculele în sine și de elementele care le compun în fiecare material. Printre aranjamentele moleculare implicate în procesele dielectrice se numără așa-numitele „molecule polare” sau polarizate.

În moleculele polare, există o separare între poziția de mijloc a sarcinilor negative și poziția de mijloc a sarcinilor pozitive, determinându-le să aibă poli electrici.

De exemplu, molecula de apă (Figura 4) este permanent polarizată, deoarece centrul distribuției sarcinii pozitive este la jumătatea distanței dintre atomii de hidrogen. (Serway și Jewett, 2005).

În timp ce se află în molecula BeH2 (hidrură de beriliu - Figura 5), ​​o moleculă liniară, nu există polarizare, deoarece centrul de distribuție a sarcinilor pozitive (hidrogeni) se află în centrul de distribuție a sarcinilor negative (beriliu), anulând orice polarizare care poate exista. Aceasta este o moleculă nepolare.

În același sens, atunci când un material dielectric se află în prezența unui câmp electric E, moleculele se vor alinia în funcție de câmpul electric, provocând o densitate a sarcinii de suprafață pe fețele dielectricului care se confruntă cu plăcile condensatorului..

Datorită acestui fenomen, câmpul electric din interiorul dielectricului este mai mic decât câmpul electric extern generat de condensator. Următoarea ilustrație (figura 6) prezintă un dielectric polarizat electric într-un condensator de placă plan-paralel..

Este important de reținut că acest fenomen rezultă mai ușor în materialele polare decât în ​​cele nepolare, datorită existenței unor molecule polarizate care interacționează mai eficient în prezența câmpului electric. Deși, simpla prezență a câmpului electric determină polarizarea moleculelor nepolare, rezultând același fenomen ca și în cazul materialelor polare..

Valori constante dielectrice în unele materiale

În funcție de funcționalitatea, economia și utilitatea finală a condensatoarelor, sunt utilizate diferite materiale izolatoare pentru a-și optimiza performanțele..

Materialele precum hârtia sunt foarte ieftine, deși pot defecta la temperaturi ridicate sau în contact cu apa. În timp ce este cauciuc, este încă maleabil, dar mai rezistent. Avem și porțelan, care rezistă la temperaturi ridicate, deși nu se poate adapta la diferite forme, după cum este necesar..

Mai jos este un tabel în care este specificată constanta dielectrică a unor materiale, unde constantele dielectrice nu au unități (sunt adimensionale):

Tabelul 1: Constantele dielectrice ale unor materiale la temperatura camerei.

Unele aplicații ale materialelor dielectrice

Materialele dielectrice sunt importante în societatea globală, cu o gamă largă de aplicații, de la comunicații terestre și prin satelit, inclusiv software radio, GPS, monitorizarea mediului prin sateliți, printre altele. (Sebastian, 2010)

Mai mult, Fiedziuszko și alții (2002) descriu importanța materialelor dielectrice pentru dezvoltarea tehnologiei fără fir, inclusiv pentru telefonia celulară. În publicația lor, ei descriu relevanța acestui tip de materiale în miniaturizarea echipamentelor.

În această ordine de idei, modernitatea a generat o mare cerere pentru materiale cu constante dielectrice ridicate și scăzute pentru dezvoltarea unei vieți tehnologice. Aceste materiale sunt componente esențiale pentru dispozitivele Internet în ceea ce privește funcțiile de stocare a datelor, comunicațiile și performanța transmisiilor de date. (Nalwa, 1999).

Referințe

1. Fiedziuszko, S. J., Hunter, I. C., Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, S. N. și Wakino, K. (2002). Materiale, dispozitive și circuite dielectrice. Tranzacții IEEE privind teoria și tehnicile microundelor, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Interacțiunea electrică. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García și Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FIZIC. Începând cu aplicații. Mexic: EDUCAȚIA PEARSON.
4. Nalwa, H. S. (Ed.). (1999). Manual de materiale constante dielectrice scăzute și ridicate și aplicațiile acestora, set de două volume. Elsevier.
5. Sebastian, M. T. (2010). Materiale dielectrice pentru comunicații fără fir. Elsevier.
6. Serway, R. și Jewett, J. (2005). Fizică pentru știință și inginerie. Mexic: International Thomson Editores.