Materialele dielectrice sunt materiale in esenta izolatoare. Asta inseamna ca nici un flux de curent nu va trece prin ele atunci cand tensiunea este aplicata. Unele schimbari se fac la nivel atomic. Cand tensiunea este aplicata unui obiect dielectric, acesta se polarizeaza. Din moment ce atomii sunt formati din nuclee incarcate pozitiv si electroni cu sarcina negativa, polarizarea este efectul care schimba usor electronii catre tensiunea pozitiva. Ei nu circula indeajuns pentru a forma un flux electric prin material – schimbul este microscopic, dar are un efect important, in special atunci cand acest material face parte dintr-un condensator.
Sursa foto: https://pixabay.com/
Odata ce sursa de tensiune nu mai este in contact cu materialul, acesta prezinta 2 stari: una in care se intoarce la starea initiala – nepolarizat sau cea de a 2-a, in care ramane polarizat daca legaturile moleculare din material sunt slabe. Diferenta intre materialul dielectric si cel izolator nu este foarte bine definit. Toate materialele dielectrice sunt izolatori, dar un dielectric bun este acela care este usor polarizat.
Nivelul polarizarii ce se intampla atunci cand o anumita tensiune este aplicata obiectelor, influenteaza valoarea energiei electrice care este inmagazinata in campul electric. Acest lucru este descris ca o constanta dielectrica a materialului. Constanta nu este singura proprietate a materialelor dielectrice. Alte proprietati ca puterea dielectrica si pierderea sunt la fel de importante in alegerea materialelor pentru un capacitor intr-o aplicatie.
Constanta dielectrica
Constanta dielectrica a unui material, numita si permitivitate, reprezinta abilitatea materialului de a concentra liniile electrostatice ale unui flux electric. In alti termeni, reprezinta abilitatea materialului de a inmagazina energie electrica in prezenta unui camp electric. Toate materialele, inclusiv vidul, depoziteaza energie cand sunt amplasate in prezenta unui camp electric.
Permitivitatea vidului este definita ca o constanta fizica ε0 care este egala cu 8.854×10-12 farad/metru.
Aceasta apare in multe formule electromagnetice. Din moment ce majoritatea capacitorilor nu sunt facute cu vid, face sens sa definim permitivitatea pentru fiecare material.
Permitivitatea materialelor este definita ca ε=εrε0, unde ε este permitivitatea absoluta si εr este permitivitatea relativa. Εr este un numar care este mereu mai mare decat 1, ce inseamna ca toate materialele pot inmagazina o cantitate mai mare de energie decat spatiul liber, atunci cand este in contact cu un camp electric.
Aceasta proprietate este utila in aplicatiile condensatorului. Trebuie spus ca permitivitatea relativa depinde de multi factori, cum ar fi temperatura, presiunea, chiar si frecventa, de aceea materialele cu mai multa stabilitate a constantei dielectrice sunt favorizate in anumite domenii.
Materialele dielectrice au valori diferite ale permitivitatii relative.
Mai jos gasiti o lista cu cele mai folosite materiale in realizarea condensatorilor, impreuna cu valorile lor, la o frecventa de 1 kHz, la temperatura camerei.
| Denumirea materialului | Permitivitate relativa |
| Vid | 1 |
| Apa | 30-88 (depinde de temperatura) |
| Sticla | 3.7 – 10 |
| Teflon | 2.1 |
| Polietilena | 2.25 |
| Poliamida | 3.4 |
| Polipropilena | 2.2 – 2.36 |
| Polistiren | 2.4 – 2.7 |
| Dioxid de titan | 86 – 173 |
| Apa distilata | 80 |
| Titanat – Bariu-Strontiu | 500-7500 |
| Polimeri conjugati | 1.8 – 100 000 |
Puterea/ forta dielectrica
Toate materialele au o limita superioara de tensiune, numita tensiune de cadere. Un bun exemplu este aerul. Este considerat izolator, insa in circumstante necunoscute, poate conduce electricitatea.
Exact asta se intampla in timul unui fulger. Dupa ce limita superioara a campului este atins, aerul este ionizat (electronii sunt indepartati de nucleul atomului) si incep sa se miste sub influenta campului electric, producand energie electrica. Este foarte important sa nu se atinga limita de tensiune a capacitorului pentru a preveni functionarea slaba sau distrugerea acestuia.
Forta dielectrica a aerului este aproximativ 3 megavolti/metru, pe cand forta dielectrica pentru mica (mineral) este de aproximativ 120 megavolti/metru. Alegerea materialului este foarte important in unele aplicatii, unde tensiunile mari sunt asteptate, sau cand grosimea materialului este foarte mica.
Ce este pierderea dielectrica
Se refera la energia care se pierde, incalzind un obiect care este facut din material dielectric, daca o tensiune variabila este aplicata. Aceste pierderi se realizeaza din cauza schimbarilor polarizarii ale materialului.
Materialele au diferite pierderi la diferite frecvente si aceasta caracteristica trebuie luata in considerare in aplicatii cu frecventa inalta.
Aplicatii ale materialelor dielectrice din condensatori
Pentru a intelege efectul dielectricului intr-un capacitor, trecem repede peste formula cunoscuta pentru capacitatea unui condensator cu placute paralele.
C=(εr ε0 A)/d
Unde C este capacitatea, εr este permitivitatea relativa a materialului, ε0 este permitivitatea vidului, A este suprafata placutelor si d reprezinta distanta dintre cele 2 placute. Este clar ca atunci cand permitivitatea relativa este mai mare, capacitatea este si ea mai mare. De exemplu, aerul, are permitivitatea relativa 1, rezulta ca actioneaza ca si cum placutele capacitorului sunt plasate in vid. Pe de alta parte, unii polimeri pot avea permitivitatea relativa pana la 100000! Folosind asemenea materiale, e posibil sa atinga aceasi capacitate intr-un volum mai mic, dezvoltandu-se posibilitatea miniaturii.
Sa aruncam o privire si la forta dielectrica. Considerand un capacitor cu aer, cu distanta intre electrozi de 0.1mm. Forta dielectrica a aerului este de 3 megavolti/metru. Tensiunea maxima ce poate fi aplicata este de 300V in conditii ideale. Cu cat este mai mic capacitorul, cu atat scade valoarea maxima a tensiunii ce poate fi aplicata.
Toate capacitoarele au valori maxime de tensiune in functie de ce materiale sunt folosite.
