Un dielèctric és un aïllant que separa les dues plaques o làmines del conductor del condensador. Els aïllants són materials que no poden conduir el corrent elèctric, per exemple, el plàstic, el vidre, el paper o la fusta. La funció dielèctrica és augmentar la capacitància perquè el condensador pugui emmagatzemar més càrrega elèctrica i energia potencial elèctrica.
Un condensador pot funcionar si les dues plaques conductores no es toquen entre si, de manera que la càrrega elèctrica no es mogui d'un conductor a un altre. De la mateixa manera, perquè la càrrega elèctrica no es mogui del conductor a l'aire, l'espai entre els dos conductors ha de ser un buit. En el tema sobre les plaques paral·leles, s'ha parlat de la capacitància dels condensadors de plaques paral·leles que estan separats per un buit. La capacitància del condensador en el buit té limitacions, de manera que per augmentar la capacitància, cal col·locar el dielèctric entre les dues plaques.
El dielèctric augmenta la capacitança perquè el potencial elèctric entre les dues plaques conductores disminueix
Per què augmenta la capacitància del condensador després de col·locar el dielèctric entre les dues plaques o làmines? Per trobar la resposta a aquesta pregunta, primer cal recordar la lliçó sobre la càrrega elèctrica. Les càrregues elèctriques semblants es repel·leixen, mentre que les càrregues diferents s'atrauen. Per exemple, una càrrega positiva atrau una càrrega negativa però repel·leix una càrrega positiva. Aleshores, per què els plàstics amb càrrega negativa poden atraure petits trossos de paper que no estan carregats elèctricament? Això passa perquè el tros de paper experimenta una polarització de càrrega.
Els electrons dels materials aïllants com el paper no es poden moure lliurement com els electrons dels materials conductors. Per tant, quan el plàstic carregat negativament s'acosta al tros de paper, els electrons que estan units a l'àtom són rebutjats pel plàstic carregat negativament. De manera que es produeix la polarització de la càrrega negativa i la càrrega positiva del paper. La càrrega negativa del paper està més allunyada del plàstic, mentre que la càrrega positiva del paper està més a prop del plàstic. Aleshores, la càrrega negativa del plàstic atrau la càrrega positiva del tros de paper fins que el paper s'acosta al plàstic.
El procés de polarització de la càrrega que es produeix en trossos de paper és similar a la polarització de la càrrega que es produeix en el dielèctric. Com es mostra a la figura de l'esquerra, per exemple, al principi només hi havia dos trossos de conductors carregats elèctricament. La placa esquerra està carregada positivament mentre que la placa dreta està carregada negativament, de manera que la direcció del camp elèctric és d'esquerra a dreta.
Després de col·locar el dielèctric entre les dues plaques conductores, la càrrega positiva de la placa esquerra atrau els electrons de la superfície dielèctrica propera. A més, la càrrega negativa de la placa dreta repel·leix els electrons de la superfície dielèctrica propera. Els electrons del dielèctric, que és un aïllant, no es poden moure lliurement com els electrons d'un conductor. Per tant, els electrons romanen units a l'àtom, però hi ha una polarització dels electrons carregats negativament i els protons carregats positivament, com es mostra a la figura.
La presència d'una càrrega positiva al costat dret dels àtoms dielèctrics i una càrrega negativa al costat esquerre dels àtoms dielèctrics dóna lloc a un camp elèctric. Que és de dreta a esquerra, que debilita el camp elèctric generat per la càrrega elèctrica a la placa conductora, que és d'esquerra a dreta. Així doncs, el camp elèctric disminueix no perquè la càrrega elèctrica a les dues plaques/làmines del conductor disminueixi, sinó perquè el camp elèctric apareix al dielèctric en la direcció oposada. Si s'allibera el dielèctric, la intensitat del camp elèctric generada per la càrrega elèctrica a les dues plaques o làmines del conductor torna a la normalitat.
If
Si la intensitat del camp elèctric generat per la càrrega elèctrica a les dues plaques conductores es redueix, el potencial elèctric entre les dues plaques conductores també es redueix. Com que el camp elèctric és directament proporcional al potencial elèctric, tal com s'indica a l'equació E = V/d, on E = camp elèctric, V = potencial elèctric i d = distància entre les dues plaques. Si abans hi ha un potencial elèctric al dielèctric que és Vo, aleshores després del dielèctric, el potencial elèctric es redueix a V pel factor K.
Matemàticament, Vo = KV o V = Vo / K o K = Vo / V, on K = constant dielèctrica. Vo > V de manera que K > 1.
Tingueu en compte que la quantitat de càrrega elèctrica en ambdues plaques o làmines de conductors no canvia, de manera que la quantitat de càrrega final és igual a la quantitat de càrrega inicial (Q = Qo). El canvi de capacitància del condensador es calcula de la manera següent:
C = capacitança final, Co = capacitança inicial, Q = càrrega final, Qo = càrrega inicial, V = potencial final, Vo = potencial inicial, K = constant dielèctrica
Basant-nos en l'equació anterior, es conclou que la capacitància inicial (Co) és més petita mentre que la capacitància final (C) és més gran. La capacitància augmenta per un factor de K, on K és la constant dielèctrica. El valor de la constant dielèctrica de cada material aïllant varia. La constant dielèctrica (K) és el resultat de la relació entre la capacitància del condensador quan s'utilitza un dielèctric i la capacitància del condensador quan no s'utilitza cap dielèctric.
La capacitància dielèctrica augmenta perquè la distància entre les dues plaques conductores disminueix
Una altra funció dielèctrica és reduir la distància (d) entre les dues plaques conductores. De manera que el camp elèctric (E) i el voltatge elèctric (V) entre les dues plaques o làmines de conductors augmenten, tal com s'indica a l'equació E = V / d. Si el camp elèctric i el voltatge elèctric entre les dues plaques o làmines augmenten, aleshores la capacitança del condensador augmenta.
Si els condensadors en qüestió són en paral·lel, la capacitància es calcula mitjançant la fórmula següent:
A partir de les dues fórmules anteriors, es pot concloure que la capacitància (C) dels condensadors de plaques paral·leles es pot augmentar reduint la distància entre les dues plaques o làmines conductores (d).
La capacitància dielèctrica augmenta perquè augmenta la capacitància del condensador
El dielèctric està fet d'un material aïllant que, si es troba en un camp elèctric fort, es farà malbé. El dany dielèctric es produeix quan el camp elèctric és tan fort que pot allunyar els electrons de l'àtom, i aleshores els electrons xoquen amb els electrons d'altres àtoms de manera que es produeix el flux d'electrons al dielèctric. En altres paraules, el dany dielèctric fa que el dielèctric, que és un aïllant elèctric, es converteixi en un conductor elèctric.
Per evitar danys, cada dielèctric fet d'un determinat material aïllant té un valor màxim de camp elèctric que es pot suportar, anomenat resistència dielèctrica. La resistència dielèctrica del material aïllant és més gran que la resistència dielèctrica de l'aire i cada material aïllant té una resistència dielèctrica diferent, algunes són petites i altres són grans. Així, si s'utilitza un dielèctric que té una gran resistència dielèctrica, el camp elèctric que es pot suportar és més gran i el voltatge que es pot suportar també és més gran. Si el camp elèctric i el voltatge elèctric generat per les dues plaques o làmines del conductor són més grans, més gran serà la quantitat de càrrega elèctrica que pot allotjar la placa conductora. Com més càrrega hi hagi dins de la placa conductora, més gran serà la capacitància del condensador.
