DIELEKTRIK SABITI NEDIR? - FIZIKSEL - 2025

Dielektrik sabiti bir kapasitör (veya kapasitör - Şekil 1) plakalar arasına yerleştirilir malzeme ile bağlantılı bir değer ve bu optimize ve artan işlev sağlar. (Giancoli, 2006). Dielektrik, elektrik yalıtkanı ile eş anlamlıdır, yani elektrik akımının geçişine izin vermeyen malzemelerdir.

Herkesin evlerimizde, rekreasyon alanlarımızda, eğitim veya iş istasyonlarımızda elektrikli ve elektronik ekipman kullanması yaygın olduğu için bu değer birçok yönden önemlidir, ancak kesinlikle bu ekipmanda işlemesi için meydana gelen karmaşık süreçlerin farkında değiliz.

Şekil 1: Farklı kondansatör türleri.

Örneğin, mini bileşenlerimiz, televizyonlarımız ve multimedya cihazlarımız işlevleri için doğru akımı kullanırlar, ancak evimize ve işyerlerimize ulaşan evsel ve endüstriyel akımlar alternatif akımlardır. Bu nasıl mümkün olabilir?.

Şekil 2: Ev tipi bir ekipmanın elektrik devresi

Bu sorunun cevabı aynı elektrikli ve elektronik ekipmanın içindedir: kapasitörler (veya kapasitörler). Bu bileşenler, diğer şeylerin yanı sıra, alternatif akımın doğru akıma düzeltilmesini mümkün kılar ve bunların işlevselliği, kondansatörün geometrisine veya şekline ve tasarımında bulunan dielektrik malzemeye bağlıdır.

Dielektrik malzemeler, kondansatörü oluşturan plakaların birbirine çok yakın, el değmeden olmasına izin vermesi ve kondansatörlerin işlevselliğini artırmak için söz konusu plakalar arasındaki boşluğu dielektrik malzeme ile tamamen kapatması nedeniyle önemli bir rol oynamaktadır.

Dielektrik sabitinin kaynağı: kapasitörler ve dielektrik malzemeler

Bu sabitin değeri deneysel bir sonuçtur, yani farklı tipte yalıtım malzemeleri ile yapılan deneylerden gelir ve aynı olguyla sonuçlanır: bir kapasitörün artan işlevselliği veya verimliliği.

Kapasitörler, bir kapasitörün belirli bir potansiyel farkı "V" (Denklem 1) sağlayarak depolayabileceği "Q" elektrik yükü miktarını tanımlayan "C" kapasitans adı verilen fiziksel bir miktar ile ilişkilidir.

(Denklem 1)

Deneyler, bir kapasitörün plakaları arasındaki boşluğu bir dielektrik malzeme ile tamamen kaplayarak, kapasitörlerin kapasitanslarını "dielektrik sabiti" olarak adlandırılan bir κ faktörü ile artırdıkları sonucuna varmıştır. (Denklem 2).

(Denklem 2)

Yüklü ve dolayısıyla plakaları arasında aşağıya doğru tekdüze bir elektrik alanı olan bir düz paralel plaka kapasitör kapasitansı C'nin bir resmi, Şekil 3'te sunulmuştur.

Şeklin tepesinde, plakaları arasında bir vakumlu kondansatör (vakum - geçirgenlik ∊0) bulunur. Daha sonra, altta, C '> C kapasitanslı aynı kapasitör, plakaları arasında (geçirgenlik ∊) bir dielektrik ile sunulur.

Şekil 3: Dielektriksiz ve dielektrikli plan-paralel plaka kondansatörü.

Figueroa (2005), kapasitörlerdeki dielektrik malzemeler için üç işlevi listeler:

1. İletken plakalar arasında küçük bir boşlukla sert ve kompakt bir yapıya izin verirler.
2. Boşalmaya neden olmadan daha yüksek bir voltajın uygulanmasına izin verirler (arıza elektrik alanı havadan daha büyüktür)
3. Malzemenin dielektrik sabiti olarak bilinen bir faktör κ kadar kapasitörün kapasitansını artırır.

Bu nedenle yazar, κ "malzemenin dielektrik sabiti olarak adlandırıldığını ve moleküler dipollerinin harici bir manyetik alana tepkisini ölçtüğünü" belirtir. Yani, dielektrik sabiti, malzemenin moleküllerinin polaritesi ne kadar yüksekse o kadar yüksektir.

Dielektriklerin atomik modelleri

Genel olarak, malzemelerin moleküllerin kendilerine ve her malzemede onları oluşturan öğelere bağlı olan özel moleküler düzenlemeleri vardır. Dielektrik süreçlere müdahale eden moleküler düzenlemeler arasında, "polar moleküller" denen veya polarize olan düzenler vardır.

Kutupsal moleküllerde, negatif yüklerin orta konumu ile pozitif yüklerin orta konumu arasında bir ayrım vardır ve bu da onların elektrik kutuplarına sahip olmasına neden olur.

Örneğin, su molekülü (Şekil 4) kalıcı olarak polarize edilmiştir çünkü pozitif yük dağılımının merkezi hidrojen atomlarının ortasındadır. (Serway ve Jewett, 2005).

Şekil 4: Su molekülünün dağılımı.

Doğrusal bir molekül olan BeH2 molekülünde (berilyum hidrit - Şekil 5), pozitif yüklerin (hidrojenler) dağılım merkezi negatif yüklerin (berilyum) dağılımının merkezinde olduğundan, polarizasyon yoktur. , olabilecek herhangi bir polarizasyonu iptal etme. Bu polar olmayan bir moleküldür.

Şekil 5: Bir berilyum hidrit molekülünün dağılımı.

Aynı şekilde, bir elektrik alanı E'nin mevcudiyetinde bir dielektrik malzeme olduğunda, moleküller elektrik alanın bir fonksiyonu olarak hizalanacak ve dielektriğin kapasitör plakalarına bakan yüzlerinde bir yüzey yükü yoğunluğuna neden olacaktır.

Bu fenomen nedeniyle, dielektrik içindeki elektrik alanı, kapasitör tarafından üretilen harici elektrik alandan daha azdır. Aşağıdaki çizim (Şekil 6), düzlemsel-paralel plaka kapasitöründe elektriksel olarak polarize bir dielektriği göstermektedir.

Elektrik alanının varlığında daha verimli etkileşime giren polarize moleküllerin varlığından dolayı, bu fenomenin polar malzemelerde polar olmayan maddelere göre daha kolay sonuçlandığına dikkat etmek önemlidir. Bununla birlikte, elektrik alanın sadece varlığı, polar olmayan moleküllerin polarizasyonuna neden olur ve bu da polar malzemelerle aynı fenomeni ortaya çıkarır.

Şekil 6: Yüklü kapasitörden kaynaklanan elektrik alanından dolayı bir dielektriğin polarize moleküllerinin modelleri.

Bazı malzemelerde dielektrik sabit değerleri

Kapasitörlerin işlevselliğine, ekonomisine ve nihai kullanımına bağlı olarak, performanslarını optimize etmek için farklı yalıtım malzemeleri kullanılır.

Kağıt gibi malzemeler, yüksek sıcaklıklarda veya suyla temas halinde bozulmalarına rağmen çok ucuzdur. Kauçuk olmasına rağmen yine de dövülebilir ancak daha dayanıklıdır. Gerektiğinde farklı şekillere uyum sağlayamasa da yüksek sıcaklıklara dayanıklı porselenimiz de var.

Aşağıda, bazı malzemelerin dielektrik sabitinin belirtildiği, dielektrik sabitlerinin birimi olmadığı (boyutsuzdurlar) bir tablo bulunmaktadır:

Tablo 1: Bazı malzemelerin oda sıcaklığında dielektrik sabitleri.

Dielektrik malzemelerin bazı uygulamaları

Dielektrik malzemeler, radyo yazılımı, GPS, uydular aracılığıyla çevresel izleme ve diğerleri dahil olmak üzere karasal ve uydu iletişiminden geniş bir uygulama yelpazesiyle küresel toplumda önemlidir. (Sebastian, 2010)

Ayrıca, Fiedziuszko ve diğerleri (2002), hücresel telefon da dahil olmak üzere kablosuz teknolojinin gelişimi için dielektrik malzemelerin önemini açıklamaktadır. Yayınlarında, bu tür malzemelerin ekipmanın minyatürleştirilmesindeki önemini anlatıyorlar.

Bu fikir düzeninde modernite, teknolojik bir yaşamın gelişmesi için yüksek ve düşük dielektrik sabitleri olan malzemeler için büyük bir talep yarattı. Bu materyaller, veri depolama işlevleri, iletişim ve veri aktarımlarının performansı açısından İnternet cihazları için temel bileşenlerdir. (Nalwa, 1999).

Referanslar

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN ve Wakino, K. (2002). Dielektrik malzemeler, cihazlar ve devreler. Mikrodalga teori ve teknikleri üzerine IEEE İşlemleri, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Elektriksel Etkileşim. Karakas, Venezuela: Miguel Angel García and Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FİZİKSEL. Uygulamalardan başlayarak. Meksika: PEARSON EĞİTİMİ.
4. Nalwa, HS (Ed.). (1999). Düşük ve yüksek dielektrik sabiti malzemeler el kitabı ve uygulamaları, iki hacimli set. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Kablosuz iletişim için dielektrik malzemeler. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Bilim ve Mühendislik için Fizik. Meksika: Uluslararası Thomson Editörleri.