Диелектрик

Кондензаторът може да функционира, ако двете пластини/проводникови листове не се докосват една до друга, така че електрическият заряд да не се премества от единия проводник към другия. По същия начин, за да не се премества електрическият заряд от проводника във въздуха, пространството между двата проводника трябва да е вакуум. В статията за кондензаторите с паралелни пластини е разгледан капацитетът на кондензатор с паралелни пластини , където двете пластини са разделени от вакуум. Капацитетът на кондензатор във вакуум има ограничения, така че за да се увеличи капацитетът, между двете пластини/проводникови листове се поставя диелектрик.

Диелектрикът е изолатор, който разделя двете проводящи пластини на кондензатор. Изолаторът е материал, който не може да провежда електричество, като например пластмаса, стъкло, хартия или дърво. Функцията на диелектрика е да увеличи капацитета, позволявайки на кондензатора да съхранява голямо количество електрически заряд и потенциална енергия.

Диелектриците увеличават капацитета, защото електрическият потенциал между двете проводящи пластини се намалява.

Защо капацитетът на кондензатора се увеличава, след като между двете пластини/проводникови листове се постави диелектрик? За да разберете отговора на този въпрос, първо си спомнете урока за Електрически зарядЕднообразните електрически заряди се отблъскват взаимно, докато различнообразните електрически заряди се привличат. Например, положителните заряди се привличат взаимно. Диелектрик 1с отрицателен заряд, но се отблъскват с положителен заряд. Тогава защо отрицателно заредената пластмаса може да привлича малки парченца хартия, които не са електрически заредени? Това се случва, защото парчетата хартия изпитват поляризация на заряда. Електроните в изолационните материали като хартията не могат да се движат свободно, както електроните в проводимите материали. Така че, когато отрицателно заредена пластмаса се доближи до парчета хартия, електроните, свързани с атомите, се отблъскват от отрицателно заредената пластмаса, което води до поляризация на отрицателния заряд и положителния заряд върху хартията. Отрицателният заряд върху хартията е по-далеч от пластмасата, докато положителният заряд върху хартията е по-близо до пластмасата. Освен това, отрицателният заряд върху пластмасата привлича положителния заряд върху парчетата хартия, докато по-леката хартия се приближи до пластмасата.

Процесът на поляризация или поляризация на заряда, която се случва в лист хартия, е подобна на поляризацията на заряда, която се случва в диелектрик. Както е показано на изображението вляво, например, първоначално има само две електрически заредени проводящи пластини. Лявата пластина е положително заредена, докато дясната пластина е отрицателно заредена, така че посоката на електрическото поле е отляво надясно.

След като диелектрикът се постави между двете проводящи пластини, положителният заряд на лявата пластина привлича електроните на близката диелектрична повърхност, а отрицателният заряд на дясната пластина отблъсква електроните на близката диелектрична повърхност. Електроните в диелектрика, който е изолатор, не се движат свободно, както електроните в проводника. Следователно, електроните остават свързани с атомите, но има поляризация на отрицателно заредените електрони и положително заредените протони, както е показано на картинката. Наличието на положителен заряд от дясната страна на диелектричните атоми и отрицателен заряд от лявата страна на диелектричните атоми създава електрическо поле, насочено отдясно наляво, като по този начин отслабва електрическото поле, генерирано от електрическия заряд върху проводящата пластина, насочен отляво надясно. Така електрическото поле намалява не защото електрическият заряд върху двете пластини/проводящи листове намалява, а защото в диелектрика се появява електрическо поле в обратна посока. Когато диелектрикът се отстрани, силата на електрическото поле, генерирана от електрическия заряд върху двете пластини/проводящи листове, се връща в първоначалното си състояние.

Диелектрик 2Ако силата на електрическото поле, генерирано от електрическия заряд върху двете проводящи пластини, намалее, тогава електрическият потенциал между двете проводящи пластини също намалява поради електрическото поле.Диелектрик 3 Електричеството е правопропорционално на електрическия потенциал, както е посочено в уравнението E = V / d, където E = електрическо поле, V = електрически потенциал и d = разстояние между двете пластини. Ако преди е имало диелектрик, електрическият потенциал е бил Vo Така че, след като има диелектрик, електрическият потенциал се намалява до V с коефициент K. Математически, Vo = KV или V = Vo / K или K = Vo / V, където K = диелектрична константа. Vo > V, така че K>1.
Трябва да се отбележи, че количеството електрически заряд и върху двете пластини/проводникови листове не се променя, така че крайното количество заряд е същото като началното количество заряд (Q = Qo). Промяната в капацитета на кондензатора се изчислява по следната формула:

Диелектрик 4

Описание на формулата: C = краен капацитет, C o = начален капацитет, Q = краен заряд, Q o = начален заряд, V = краен потенциал, V o = начален потенциал, K = диелектрична константа

Въз основа на горното уравнение се заключава, че началният капацитет (C o ) е по-малък, докато крайният капацитет (C) е по-голям. Капацитетът се увеличава с коефициент K, където K е диелектричната константа. Стойността на диелектричната константа на всеки изолационен материал е различна. Диелектричната константа (K) е резултат от сравняване на капацитета на кондензатор, когато се използва диелектрик, с капацитета на кондензатор, когато не се използва диелектрик.

Диелектриците увеличават капацитета, защото разстоянието между двете проводящи пластини се намалява.

Друга функция на диелектрика е да намали разстоянието (d) между двете проводящи пластини, така че електрическото поле (E) и електрическото напрежение (V) между двете проводящи пластини/листове да се увеличат, както е посочено в уравнението E = V / d. Ако електрическото поле и електрическото напрежение между двете пластини/листове се увеличат, тогава капацитетът на кондензатора се увеличава.
Ако въпросният кондензатор е с паралелна плоча, тогава неговият капацитет се изчислява по следната формула:

Диелектрик 5

Въз основа на двете формули по-горе може да се заключи, че капацитетът (C) на кондензатор с паралелни плочи може да се увеличи чрез намаляване на разстоянието между двете плочи/проводящи слоеве (d).

Диелектриците увеличават капацитета, защото диелектричната якост на кондензатора се увеличава.

Диелектриците са изработени от изолационни материали, които, когато бъдат поставени в много силно електрическо поле, ще претърпят пробив. Пробив на диелектрика възниква, когато електрическото поле е толкова силно, че причинява отделяне на електрони от атомите, където тези електрони се сблъскват с електрони в други атоми, причинявайки поток от електрони в диелектрика. С други думи, пробивът на диелектрика кара диелектрика, който е електрически изолатор, да се превърне в електрически проводник.

За да се избегнат повреди, всеки диелектрик, изработен от определен изолационен материал, има максимална стойност на електрическото поле, която може да издържи, наречена диелектрична якост. Диелектричната якост на изолационния материал е по-голяма от диелектричната якост на въздуха и всеки изолационен материал има различна диелектрична якост, някои са малки, а други големи. Така че, ако се използва диелектрик с голяма диелектрична якост, електрическото поле, което може да се задържи, е по-голямо и електрическото напрежение, което може да се задържи, също е по-голямо. Ако електрическото поле и електрическото напрежение, генерирани от двете пластини/проводящи слоеве, са по-големи, количеството електрически заряд, което може да се поеме от проводящата пластина, е по-голямо. Колкото повече заряд има в проводящата пластина, толкова по-голям е капацитетът на кондензатора.

 

Оставете коментар