WAS IST DIE DIELEKTRIZITÄTSKONSTANTE? - KÖRPERLICH - 2025

Die Dielektrizitätskonstante ist ein Wert, der dem Material zugeordnet ist, das zwischen den Platten eines Kondensators (oder Kondensators - Abbildung 1) angeordnet ist und dessen Optimierung und Erhöhung seiner Funktion ermöglicht. (Giancoli, 2006). Dielektrikum ist ein Synonym für elektrischen Isolator, dh es handelt sich um Materialien, die den Durchgang von elektrischem Strom nicht zulassen.

Dieser Wert ist unter vielen Gesichtspunkten wichtig, da es üblich ist, dass jeder elektrische und elektronische Geräte in unseren Häusern, Erholungsräumen, Bildungseinrichtungen oder Arbeitsstationen verwendet, aber wir sind uns sicherlich nicht der komplizierten Prozesse bewusst, die in diesen Geräten ablaufen, um funktionieren zu können.

Abbildung 1: Verschiedene Arten von Kondensatoren.

Zum Beispiel verwenden unsere Minikomponenten, Fernseher und Multimedia-Geräte Gleichstrom für ihre Funktionen, aber die Haushalts- und Industrieströme, die unsere Häuser und Arbeitsplätze erreichen, sind Wechselströme. Wie ist das möglich?.

Abbildung 2: Stromkreis eines Haushaltsgeräts

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

Dielektrische Materialien spielen eine wichtige Rolle, da sie es ermöglichen, dass die Platten, aus denen der Kondensator besteht, sehr nahe beieinander gebracht werden, ohne sich zu berühren, und den Raum zwischen diesen Platten vollständig mit dielektrischem Material abdecken, um die Funktionalität der Kondensatoren zu erhöhen.

Ursprung der Dielektrizitätskonstante: Kondensatoren und dielektrische Materialien

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

Kondensatoren sind einer physikalischen Größe zugeordnet, die als Kapazität "C" bezeichnet wird und die Menge der elektrischen Ladung "Q" definiert, die ein Kondensator speichern kann, indem er eine bestimmte Potentialdifferenz "∆V" liefert (Gleichung 1).

(Gleichung 1)

Experimente haben ergeben, dass durch vollständige Bedeckung des Raums zwischen den Platten eines Kondensators mit einem dielektrischen Material die Kondensatoren ihre Kapazität um einen Faktor κ erhöhen, der als "Dielektrizitätskonstante" bezeichnet wird. (Gleichung 2).

(Gleichung 2)

Eine Darstellung einer flachen Parallelplattenkondensatorkapazität C, die aufgeladen und folglich mit einem gleichmäßigen elektrischen Feld zwischen ihren Platten nach unten gerichtet ist, ist in 3 dargestellt.

Oben in der Abbildung befindet sich der Kondensator mit einem Vakuum zwischen den Platten (Vakuum - Permittivität ∊0). Dann wird unten derselbe Kondensator mit der Kapazität C '> C mit einem Dielektrikum zwischen seinen Platten (mit Permittivität ∊) dargestellt.

Abbildung 3: Planparalleler Plattenkondensator ohne Dielektrikum und mit Dielektrikum.

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

1. Sie ermöglichen eine starre und kompakte Konstruktion mit einem kleinen Spalt zwischen den leitenden Platten.
2. Sie ermöglichen das Anlegen einer höheren Spannung, ohne eine Entladung zu verursachen (das elektrische Durchbruchfeld ist größer als das von Luft).
3. Erhöht die Kapazität des Kondensators um einen Faktor κ, der als Dielektrizitätskonstante des Materials bekannt ist.

Somit gibt der Autor an, dass κ "die Dielektrizitätskonstante des Materials genannt wird und die Reaktion seiner molekularen Dipole auf ein externes Magnetfeld misst". Das heißt, die Dielektrizitätskonstante ist umso höher, je höher die Polarität der Materialmoleküle ist.

Atommodelle von Dielektrika

Im Allgemeinen weisen Materialien 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 polarisierten.

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

Beispielsweise ist das Wassermolekül (Abbildung 4) permanent polarisiert, da sich das Zentrum der positiven Ladungsverteilung in der Mitte zwischen den Wasserstoffatomen befindet. (Serway und Jewett, 2005).

Abbildung 4: Verteilung des Wassermoleküls.

Während sich im BeH2-Molekül (Berylliumhydrid - Abbildung 5), einem linearen Molekül, keine Polarisation befindet, befindet sich das Verteilungszentrum positiver Ladungen (Wasserstoff) im Verteilungszentrum negativer Ladungen (Beryllium). Aufheben einer eventuell vorhandenen Polarisation. Dies ist ein unpolares Molekül.

Abbildung 5: Verteilung eines Berylliumhydridmoleküls.

In gleicher Weise richten sich die Moleküle als Funktion des elektrischen Feldes aus, wenn sich ein dielektrisches Material in Gegenwart eines elektrischen Feldes E befindet, was eine Oberflächenladungsdichte auf den Flächen des Dielektrikums verursacht, die den Kondensatorplatten zugewandt sind.

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

Es ist wichtig anzumerken, dass dieses Phänomen bei polaren Materialien leichter auftritt als bei unpolaren, da polarisierte Moleküle vorhanden sind, die in Gegenwart des elektrischen Feldes effizienter interagieren. Das bloße Vorhandensein des elektrischen Feldes bewirkt jedoch die Polarisation unpolarer Moleküle, was zu dem gleichen Phänomen wie bei polaren Materialien führt.

Abbildung 6: Modelle der polarisierten Moleküle eines Dielektrikums aufgrund des im geladenen Kondensator entstandenen elektrischen Feldes.

Dielektrizitätskonstantenwerte in einigen Materialien

Abhängig von der Funktionalität, Wirtschaftlichkeit und dem endgültigen Nutzen der Kondensatoren werden verschiedene Isoliermaterialien verwendet, um ihre Leistung zu optimieren.

Materialien wie Papier sind sehr kostengünstig, obwohl sie bei hohen Temperaturen oder in Kontakt mit Wasser versagen können. Während Gummi, ist es immer noch formbar, aber widerstandsfähiger. Wir haben auch Porzellan, das hohen Temperaturen standhält, sich aber nicht nach Bedarf an unterschiedliche Formen anpassen kann.

Nachfolgend finden Sie eine Tabelle, in der die Dielektrizitätskonstante einiger Materialien angegeben ist, 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 Vielzahl von Anwendungen wichtig, von terrestrischer und Satellitenkommunikation, einschließlich Funksoftware, GPS, Umweltüberwachung bis hin zu Satelliten. (Sebastian, 2010)

Darüber hinaus beschreiben Fiedziuszko und andere (2002) die Bedeutung dielektrischer Materialien für die Entwicklung der drahtlosen Technologie, einschließlich der Mobiltelefonie. In ihrer Veröffentlichung beschreiben sie die Relevanz dieser Art von Materialien 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).

Verweise

1. SJ Fiedziuszko, IC Hunter, T. Itoh, Y. Kobayashi, T. Nishikawa, SN Stitzer & K. Wakino (2002). Dielektrische Materialien, Geräte und Schaltungen. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Elektrische Wechselwirkung. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García und Sohn, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). PHYSISCH. Beginnend mit Anwendungen. Mexiko: PEARSON EDUCACION.
4. Nalwa, HS (Hrsg.). (1999). Handbuch für Materialien mit niedriger und hoher Dielektrizitätskonstante und deren Anwendungen, zweibändiger Satz. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Dielektrische Materialien für die drahtlose Kommunikation. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Physik für Wissenschaft und Technik. Mexiko: Internationale Thomson-Redakteure.