Dielektrikum je izolant, který odděluje dva vodiče na kondenzátoru. Izolanty jsou materiály, které nevedou elektrický proud, například plast, sklo, papír nebo dřevo. Dielektrickou funkcí je zvýšit kapacitu, aby kondenzátor mohl ukládat více elektrického náboje a elektrické potenciální energie.
Kondenzátor může fungovat , pokud se obě desky vodiče nedotýkají, aby se elektrický náboj nepřesouval z jednoho vodiče do druhého. Stejně tak, aby se elektrický náboj nepřesouval z vodiče do vzduchu, musí být prostor mezi oběma vodiči vakuum. V tématu o deskách kondenzátoru byla diskutována kapacita deskových kondenzátorů, které jsou odděleny vakuem. Kapacita kondenzátoru ve vakuu má omezení, takže pro zvětšení kapacity je třeba mezi obě desky umístit dielektrikum.
Dielektrikum zvyšuje kapacitu, protože elektrický potenciál mezi dvěma vodivými deskami klesá.
Proč se kapacita kondenzátoru zvětší poté, co je dielektrikum umístěno mezi dvě desky nebo listy? Abychom našli odpověď na tuto otázku, nejprve si připomeňme lekci o elektrickém náboji. Stejné elektrické náboje se navzájem odpuzují, zatímco odlišné elektrické náboje se navzájem přitahují. Například kladný náboj přitahuje záporný náboj, ale odpuzuje kladný náboj. Proč tedy mohou záporně nabité plasty přitahovat malé kousky papíru, které nejsou elektricky nabité? Děje se to proto, že kus papíru je vystaven polarizaci náboje.
Elektrony v izolačních materiálech, jako je papír, se nemohou volně pohybovat jako elektrony ve vodivých materiálech. Když se tedy záporně nabitý plast přiblíží k kusu papíru, elektrony vázané na atom jsou od něj odraženy. Dochází tak k polarizaci záporného a kladného náboje na papíře. Záporný náboj na papíře je od plastu dále, zatímco kladný náboj na papíře je od plastu blíže. Záporný náboj na plastu pak přitahuje kladný náboj na kusu papíru, dokud se papír nepřiblíží k plastu.
Proces polarizace náboje, ke kterému dochází na kousku papíru, je podobný polarizaci náboje, ke které dochází v dielektriku. Jak je například znázorněno na obrázku vlevo, zpočátku existovaly pouze dva kusy elektricky nabitých vodičů. Levá deska je kladně nabitá, zatímco pravá deska je záporně nabitá, takže směr elektrického pole je zleva doprava.
Poté, co je dielektrikum umístěno mezi dvě vodivé desky, kladný náboj na levé desce přitahuje elektrony na blízkém dielektrickém povrchu. Záporný náboj na pravé desce také odpuzuje elektrony na blízkém dielektrickém povrchu. Elektrony v dielektriku, které je izolantem, se nemohou volně pohybovat jako elektrony ve vodiči. Elektrony proto zůstávají vázány na atom, ale dochází k polarizaci záporně nabitých elektronů a kladně nabitých protonů, jak je znázorněno na obrázku.
Přítomnost kladného náboje na pravé straně dielektrických atomů a záporného náboje na levé straně dielektrických atomů vede ke vzniku elektrického pole. Toto pole působí zprava doleva a oslabuje elektrické pole generované elektrickým nábojem na vodivé desce, což působí zleva doprava. Elektrické pole se tedy nesnižuje proto, že by se snižoval elektrický náboj na dvou deskách/vrstvách vodiče, ale proto, že se elektrické pole v dielektriku objevuje v opačném směru. Pokud se dielektrikum uvolní, intenzita elektrického pole generovaná elektrickým nábojem na dvou deskách nebo vrstvách vodiče se vrátí k normálu.
If
Jakmile se sníží intenzita elektrického pole generovaného elektrickým nábojem na obou vodivých deskách, sníží se i elektrický potenciál mezi nimi. Protože elektrické pole je přímo úměrné elektrickému potenciálu, jak je uvedeno v rovnici E = V / d, kde E = elektrické pole, V = elektrický potenciál a d = vzdálenost mezi oběma deskami. Pokud před dielektrikem existuje elektrický potenciál Vo, pak za dielektrikem se elektrický potenciál sníží na V faktorem K.
Matematicky řečeno, Vo = KV nebo V = Vo / K nebo K = Vo / V, kde K = dielektrická konstanta. Vo > V, takže K > 1.
Vezměte prosím na vědomí, že množství elektrického náboje na obou deskách nebo listech vodičů se nemění, takže množství konečného náboje se rovná množství počátečního náboje (Q = Qo). Změna kapacity kondenzátoru se vypočítá následujícím způsobem:
C = konečná kapacita, Co = počáteční kapacita, Q = konečný náboj, Qo = počáteční náboj, V = konečný potenciál, Vo = počáteční potenciál, K = dielektrická konstanta
Na základě výše uvedené rovnice se usuzuje, že počáteční kapacita (Co) je menší, zatímco konečná kapacita (C) je větší. Kapacita se zvyšuje faktorem K, kde K je dielektrická konstanta. Hodnota dielektrické konstanty každého izolačního materiálu se liší. Dielektrická konstanta (K) je výsledkem poměru kapacity kondenzátoru s dielektrikem ke kapacitě kondenzátoru bez dielektrika.
Dielektrická kapacita se zvyšuje, protože se zmenšuje vzdálenost mezi oběma vodivými deskami
Další dielektrickou funkcí je zmenšení vzdálenosti (d) mezi dvěma vodivými deskami. Tím se zvětší elektrické pole (E) a elektrické napětí (V) mezi dvěma vodivými deskami nebo vrstvami, jak je uvedeno v rovnici E = V / d. Pokud se zvětší elektrické pole a elektrické napětí mezi dvěma deskami nebo vrstvami, zvětší se i kapacita kondenzátoru.
Pokud jsou dané kondenzátory zapojeny paralelně, kapacita se vypočítá pomocí následujícího vzorce:
Na základě výše uvedených dvou vzorců lze usoudit, že kapacitu (C) deskových kondenzátorů lze zvětšit zmenšením vzdálenosti mezi dvěma deskami nebo vodivými vrstvami (d).
Dielektrická kapacita se zvyšuje, protože se zvyšuje kapacita kondenzátoru
Dielektrikum je vyrobeno z izolačního materiálu, který se v silném elektrickém poli poškodí. K poškození dielektrika dochází, když je elektrické pole tak silné, že může uvolnit elektrony z atomu, které pak narazí na elektrony na jiných atomech, takže dochází k toku elektronů v dielektriku. Jinými slovy, poškození dielektrika způsobí, že se dielektrikum, které je elektrickým izolantem, změní na elektrický vodič.
Aby se zabránilo poškození, má každé dielektrikum vyrobené z určitého izolačního materiálu maximální hodnotu elektrického pole, kterou může udržet, nazývanou dielektrická pevnost. Dielektrická pevnost izolačního materiálu je větší než dielektrická pevnost vzduchu a každý izolační materiál má jinou dielektrickou pevnost, některé jsou malé a některé velké. Pokud se tedy použije dielektrikum s velkou dielektrickou pevností, je elektrické pole, které může udržet, větší a napětí, které může udržet, je také větší. Pokud je elektrické pole a elektrické napětí generované dvěma deskami nebo vrstvami vodiče větší, tím větší množství elektrického náboje může deska vodiče pojmout. Čím více náboje je uvnitř desky vodiče, tím větší je kapacita kondenzátoru.
