Was ist die Dielektrizitätskonstante?

Die Dielektrizitätskonstante ist ein Wert, der dem Material zugeordnet ist, das sich zwischen den Platten eines Kondensators (oder Kondensators - Abbildung 1) befindet und dessen Funktion optimiert und erhöht werden kann. (Giancoli, 2006). Dielektrikum ist gleichbedeutend mit elektrischer Isolierung, das heißt, es handelt sich um Materialien, die den Durchgang von elektrischem Strom nicht zulassen.

Dieser Wert ist in vielerlei Hinsicht wichtig, da in unseren Häusern, Erholungsräumen, im Bildungswesen oder am Arbeitsplatz häufig elektrische und elektronische Geräte verwendet werden. Wir kennen jedoch sicherlich nicht die komplizierten Prozesse, die bei diesen Geräten auftreten, um zu funktionieren.

Beispielsweise verwenden unsere Mini-Komponenten, Fernseher und Multimedia-Geräte Gleichstrom für ihre Funktionen, aber die Haus- und Industrieströme, die unsere Häuser und Arbeitsplätze erreichen, sind Wechselströme. Wie ist das möglich?

Die Antwort auf diese Frage befindet sich in der gleichen elektrischen und elektronischen Ausrüstung: den Kondensatoren (oder Kondensatoren). Diese Komponenten ermöglichen unter anderem die Gleichrichtung von Wechselstrom in Gleichstrom, und ihre Funktionalität hängt von der Geometrie oder Form des Kondensators und dem in seiner Konstruktion vorhandenen dielektrischen Material ab.

Die dielektrischen Materialien spielen eine wichtige Rolle, da sie es den Platten, aus denen der Kondensator besteht, ermöglichen, sehr nahe zu sein, ohne sie zu berühren, und den Raum zwischen den Platten vollständig mit dielektrischem Material bedecken, um die Funktionalität der Kondensatoren zu erhöhen.

Ursprung der Dielektrizitätskonstante: Kondensatoren und dielektrische Materialien

Der Wert dieser Konstante ist ein experimentelles Ergebnis, das heißt, sie stammt aus den Experimenten, die mit verschiedenen Arten von Isoliermaterialien durchgeführt wurden und zu demselben Phänomen führten: Erhöhung der Funktionalität oder Effizienz eines Kondensators.

Den Kondensatoren ist eine physikalische Größe zugeordnet, die als Kapazität "C" bezeichnet wird und die die Menge an elektrischer Ladung "Q" definiert, die ein Kondensator speichern kann, wenn er eine bestimmte Potentialdifferenz "ΔV" liefert (Gleichung 1).

Versuche haben ergeben, dass die Kondensatoren durch vollständiges Abdecken des Raums zwischen den Platten eines Kondensators mit einem dielektrischen Material ihre Kapazität um einen Faktor & kgr; erhöhen, der als "Dielektrizitätskonstante" bezeichnet wird. (Gleichung 2).

Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines Kapazitätskondensators C von parallelen flachen Platten, die geladen sind und folglich ein gleichförmiges elektrisches Feld aufweisen, das zwischen ihren Platten nach unten gerichtet ist.

Im oberen Teil der Figur befindet sich der Kondensator mit Vakuum zwischen seinen Platten (Vakuum - der Zulässigkeit ε0). Dann wird im unteren Teil derselbe Kondensator mit der Kapazität C '> C mit einem Dielektrikum zwischen seinen Platten (mit der Permittivität ε) dargestellt.

Figueroa (2005) listet drei Funktionen für dielektrische Materialien in Kondensatoren auf:

1. Sie ermöglichen eine starre und kompakte Konstruktion mit einem geringen Abstand zwischen den leitenden Platten.
2. Sie ermöglichen es, eine höhere Spannung anzulegen, ohne einen Schock zu verursachen (das elektrische Berstfeld ist größer als das von Luft).
3. Erhöhen Sie die Kapazität des Kondensators um einen Faktor κ, der als Dielektrizitätskonstante des Materials bezeichnet wird.

So gibt der Autor an, dass κ "die Dielektrizitätskonstante des Materials genannt wird und die Reaktion seiner molekularen Dipole auf ein äußeres Magnetfeld misst". Das heißt, die Dielektrizitätskonstante ist umso größer, je größer die Polarität der Moleküle des Materials ist.

Atommodelle von Dielektrika

Die Materialien weisen im Allgemeinen spezifische molekulare Anordnungen auf, die von den Molekülen selbst und den Elementen abhängen, aus denen sie in jedem Material bestehen. Zu den molekularen Anordnungen, die in dielektrische Prozesse eingreifen, gehören die sogenannten "polaren Moleküle" oder die polarisierten.

In polaren Molekülen gibt es eine Trennung zwischen der durchschnittlichen Position der negativen Ladungen und der durchschnittlichen Position der positiven Ladungen, wodurch sie elektrische Pole haben.

Zum Beispiel hat das Wassermolekül (Abbildung 4) eine permanente Polarisation, da sich das Zentrum der positiven Ladungsverteilung in der Mitte zwischen den Wasserstoffatomen befindet. (Serway und Jewett, 2005).

Während im BeH2-Molekül (Berylliumhydrid - Abbildung 5), einem linearen Molekül, keine Polarisation auftritt, befindet sich das Verteilungszentrum der positiven Ladungen (Wasserstoff) im Verteilungszentrum der negativen Ladungen (Beryllium)., eventuell vorhandene Polarisation aufheben. Dies ist ein unpolares Molekül.

In der gleichen Reihenfolge werden die Moleküle, wenn sich ein dielektrisches Material in Gegenwart eines elektrischen Feldes E befindet, als Funktion des elektrischen Feldes ausgerichtet, was eine Dichte der Oberflächenladung auf den Flächen des Dielektrikums verursacht, die den Platten des Kondensators zugewandt sind.

Aufgrund dieses Phänomens ist das elektrische Feld innerhalb des Dielektrikums kleiner als das vom Kondensator erzeugte externe elektrische Feld. Die folgende Abbildung (Abbildung 6) zeigt ein elektrisch polarisiertes Dielektrikum in einem Flachkondensator.

Es ist wichtig zu beachten, dass dieses Phänomen bei polaren Materialien leichter auftritt als bei unpolaren, da polarisierte Moleküle vorhanden sind, die bei Vorhandensein des elektrischen Feldes mit größerer Effizienz interagieren. Das bloße Vorhandensein des elektrischen Feldes bewirkt jedoch die Polarisation der nopolaren Moleküle, was sich auf dasselbe Phänomen wie bei den polaren Materialien auswirkt.

Werte der Dielektrizitätskonstante in einigen Materialien

Abhängig von der Funktionalität, der Wirtschaftlichkeit und dem endgültigen Nutzen der Kondensatoren werden unterschiedliche Isoliermaterialien verwendet, um ihren Betrieb zu optimieren.

Materialien wie Papier sind sehr wirtschaftlich, obwohl sie bei hohen Temperaturen oder Kontakt mit Wasser versagen können. Das Gummi bleibt zwar formbar, aber widerstandsfähiger. Wir haben auch Porzellan, das hohen Temperaturen standhält, sich aber nicht nach Bedarf an unterschiedliche Formen anpassen kann.

In der folgenden Tabelle ist die Dielektrizitätskonstante einiger Materialien angegeben, wobei die Dielektrizitätskonstanten keine Einheiten haben (sie sind dimensionslos):

Tabelle 1: Dielektrizitätskonstanten einiger Materialien bei Raumtemperatur.

Einige Anwendungen von dielektrischen Materialien

Dielektrische Materialien sind in der globalen Gesellschaft mit einer breiten Palette von Anwendungen von Bedeutung, von der terrestrischen und Satellitenkommunikation, die unter anderem Funksoftware, GPS und Umweltüberwachung über Satelliten umfassen. (Sebastian, 2010)

Darüber hinaus beschreiben Fiedziuszko et al (2002) die Bedeutung dielektrischer Materialien für die Entwicklung der drahtlosen Technologie, einschließlich der Mobiltelefonie. In ihrer Publikation beschreiben sie die Relevanz dieser Art von Material für die Miniaturisierung von Geräten.

In dieser Reihenfolge der Ideen hat die Moderne eine große Nachfrage nach Materialien mit hohen und niedrigen Dielektrizitätskonstanten für die Entwicklung eines technologischen Lebens erzeugt. Diese Materialien sind wesentliche Komponenten für Internetgeräte in Bezug auf Datenspeicherfunktionen, Kommunikation und die Leistung von Datenübertragungen. (Nalwa, 1999).