Els materials es classifiquen com a conductors, aïllants i semiconductors en funció de les seves propietats conductores elèctriques. Tots els materials estan formats per molècules que al seu torn estan formades per àtoms. Quan són sotmesos a camp elèctric, aquests àtoms del material pateixen certs desplaçaments i canvis de propietats. L’octubre de 1745, un experiment realitzat per Ewald Georg von Kleist, d’Alemanya, mitjançant la connexió d’un generador electrostàtic d’alta tensió a un volum d’aigua recollit en un pot de mà mitjançant un fil, va demostrar que es pot emmagatzemar la càrrega. Utilitzant aquest fenomen, Pieter van Musschenbroek va inventar el primer condensador anomenat 'Leyden Jar'. La nova propietat material que va recolzar aquest invent va ser 'Dielèctric'.
Què és el dielèctric?
Tots els materials estan formats per àtoms. Els àtoms contenen partícules amb càrrega negativa i positiva. El nucli central de l’àtom està carregat positivament. En qualsevol material, els àtoms estan disposats com dipols representat amb una càrrega positiva i negativa al final. Quan aquests materials estan sotmesos a camp elèctric té lloc el moment dipolar.
Un material conductor comença a conduir-se quan s'aplica electricitat. Un aïllant s’oposa al flux d’electricitat ja que no té electrons en moviment lliure a la seva estructura. Però el dielèctric és un tipus d’aïllant especial que no condueix electricitat, però que es polaritza quan està sotmès a electricitat.
Polarització en dielèctric
En els materials dielèctrics, quan se sotmet al camp elèctric, les càrregues positives presents en el material es desplacen en la direcció del camp elèctric aplicat. Les càrregues negatives es desplacen en la direcció oposada al camp elèctric aplicat. Això condueix a la polarització dielèctrica. En el material dielèctric, les càrregues elèctriques no flueixen a través del material. La polarització redueix el camp general del dielèctric.
Propietats del dielèctric
El terme Dielèctric va ser introduït per primera vegada per William Whewell. És la combinació de dues paraules: ‘Dia’ i ‘elèctric’. La conductivitat elèctrica d’un dielèctric perfecte és nul·la. Un dielèctric emmagatzema i dissipa l'energia elèctrica de manera similar a un condensador ideal. Algunes de les propietats principals d’un material dielèctric són la susceptibilitat elèctrica, la polarització dielèctrica, la dispersió dielèctrica, la relaxació dielèctrica, la sintonització, etc.
Susceptibilitat elèctrica
La susceptibilitat elèctrica mesura la facilitat amb què es pot polaritzar un material dielèctric quan està sotmès a un camp elèctric. Aquesta quantitat també determina la permeabilitat elèctrica del material.
Polarització dielèctrica
Un moment dipolar elèctric és una mesura de separació de la càrrega positiva i negativa del sistema. La relació entre el moment dipolar (M) i el camp elèctric (E) dóna lloc a les propietats del dielèctric. Quan s’elimina el camp elèctric aplicat, l’àtom torna al seu estat original. Això passa de manera exponencial. El temps que triga l’àtom a assolir el seu estat original es coneix com a temps de relaxació.
Polarització total
Hi ha dos factors que decideixen la polarització del dielèctric. Són la formació del moment dipolar i la seva orientació en relació amb el camp elèctric. Basant-se en el tipus dipol elemental, pot haver-hi polarització electrònica o polarització iònica. Polarització electrònica Péses produeix quan les molècules dielèctriques que formen el moment dipolar estan compostes per partícules neutres.
Polarització iònica Pjoi la polarització electrònica són independents de la temperatura. Els moments dipolars permanents es produeixen a les molècules quan hi ha una distribució asimètrica de càrrega entre diferents àtoms. En aquests casos, la polarització orientacional Pos’observa. Si hi ha una càrrega lliure en el material dielèctric conduiria a la polarització de la càrrega espacial Ps. La polarització total del dielèctric implica tots aquests mecanismes. Per tant, la polarització total del material dielèctric és
Pàgtotal= Pjo+ Pés+ Po+ Ps
Dispersió dielèctrica
Quan P és la polarització màxima assolida pel dielèctric, trés el temps de relaxació per a un procés de polarització particular, el procés de polarització dielèctrica es pot expressar com
P (t) = P [1-exp (-t / tr)]
El temps de relaxació varia segons els diferents processos de polarització. La polarització electrònica és molt ràpida seguida de la polarització iònica. La polarització d’orientació és més lenta que la polarització iònica. La polarització de la càrrega espacial és molt lenta.
Desglossament dielèctric
Quan s’apliquen camps elèctrics superiors, l’aïllant comença a conduir i es comporta com a conductor. En aquestes condicions, els materials dielèctrics perden les seves propietats dielèctriques. Aquest fenomen es coneix com a Desglossament Dielèctric. És un procés irreversible. Això condueix al fracàs dels materials dielèctrics.
Tipus de material dielèctric
Els dielèctrics es classifiquen en funció del tipus de molècula present en el material. Hi ha dos tipus de dielèctrics: els dielèctrics polars i els dielèctrics no polars.
Dielèctrics polars
En els dielèctrics polars, el centre de massa de les partícules positives no coincideix amb el centre de massa de les partícules negatives. Aquí existeix el moment dipolar. Les molècules tenen forma asimètrica. Quan s’aplica el camp elèctric, les molècules s’alineen amb el camp elèctric. Quan s’elimina el camp elèctric s’observa el moment dipolar aleatori i el moment dipolar net de les molècules esdevé nul. En són exemples H2O, CO2, etc.
Dielèctrics no polars
En els dielèctrics no polars, el centre de massa de les partícules positives i les negatives coincideixen. No hi ha moment dipolar en aquestes molècules. Aquestes molècules tenen una forma simètrica. Exemples de dielèctrics no polars són H2, N2, O2, etc.
Exemples de material dielèctric
Els materials dielèctrics poden ser sòlids, líquids, gasos i buits. Els dielèctrics sòlids s’utilitzen molt en enginyeria elèctrica. Alguns exemples de dielèctrics venuts són la porcellana, ceràmica, vidre, paper, etc. L'aire sec, el nitrogen, l'hexafluorur de sofre i els òxids de diversos metalls són exemples de dielèctrics gasosos. L’aigua destil·lada i l’oli de transformador són exemples habituals de dielèctrics líquids.
Aplicacions del material dielèctric
Algunes de les aplicacions dels dielèctrics són les següents:
- S’utilitzen per emmagatzemar energia condensadors .
- Per millorar el rendiment d'un dispositiu semiconductor, s'utilitzen materials dielèctrics d'alta permitivitat.
- Es fan servir dielèctrics a Pantalles de cristall líquid.
- El dielèctric ceràmic s’utilitza a l’oscil·lador de ressonadors dielèctrics.
- Les pel·lícules primes de titani de bari d’estronci són dielèctriques que s’utilitzen en dispositius sintonitzables per microones que proporcionen una alta sintonització i un baix corrent de fuita.
- El parilè s'utilitza en recobriments industrials com a barrera entre el substrat i l'entorn extern.
- En elèctric transformadors , els olis minerals s’utilitzen com a dielèctric líquid i ajuden al procés de refredament.
- L’oli de ricí s’utilitza en condensadors d’alta tensió per augmentar el seu valor de capacitat.
- Els electrets, un material dielèctric especialment processat, actuen com a electrostàtics equivalents als imants.
Preguntes freqüents
1). Quina utilitat té el dielèctric als condensadors?
Els dielèctrics que s’utilitzen al condensador ajuden a disminuir el camp elèctric que al seu torn fa disminuir la tensió augmentant així la capacitat.
2). Quin material dielèctric s’utilitza àmpliament als condensadors?
En els condensadors, s’utilitzen àmpliament materials dielèctrics com el vidre, la ceràmica, l’aire, la mica, el paper i la pel·lícula de plàstic.
3). Quin material té la força dielèctrica més alta?
Es nota que un buit perfecte té la màxima resistència dielèctrica.
4). Tots els aïllants són dielèctrics?
No, tot i que els dielèctrics es comporten com a aïllants, no tots els aïllants són dielèctrics.
Per tant, els dielèctrics formen una part important dels condensadors. Un bon material dielèctric ha de tenir una bona constant dielèctrica, força dielèctrica, factor de pèrdua baix, estabilitat a alta temperatura, alta estabilitat d’emmagatzematge, bona resposta en freqüència i ha de ser modificable als processos industrials. Els dielèctrics també tenen un paper vital en els circuits electrònics d’alta freqüència. La mesura de les propietats dielèctriques del material proporciona informació sobre les seves característiques elèctriques o magnètiques. Què és una constant dielèctrica?
