Et dielektrikum er en isolator, der adskiller de to plader eller ark af lederen på kondensatoren. Isolatorer er materialer, der ikke kan lede elektrisk strøm, for eksempel plastik, glas, papir eller træ. Den dielektriske funktion er at øge kapacitansen, så kondensatoren kan lagre mere elektrisk ladning og den elektriske potentielle energi.
En kondensator kan fungere, hvis begge lederplader ikke berører hinanden, således at den elektriske ladning ikke bevæger sig fra en leder til en anden. Ligeledes skal rummet mellem de to ledere være et vakuum, så den elektriske ladning ikke bevæger sig fra lederen til luften. I emnet om den parallelle plade er kondensatorens kapacitans, som er adskilt af et vakuum, blevet diskuteret. Kondensatorens kapacitans i et vakuum har begrænsninger, så for at forstørre kapacitansen skal dielektrikummet placeres mellem de to plader.
Dielektrikummet øger kapacitansen, fordi det elektriske potentiale mellem de to lederplader falder.
Hvorfor øges kondensatorens kapacitans, efter at dielektrikummet er placeret mellem de to plader eller ark? For at finde svaret på dette spørgsmål skal du først huske lektien om elektrisk ladning. Lige elektriske ladninger frastøder hinanden, mens ulig elektriske ladninger tiltrækker hinanden. For eksempel tiltrækker en positiv ladning en negativ ladning, men frastøder en positiv ladning. Hvorfor kan negativt ladede plastik så tiltrække små stykker papir, der ikke er elektrisk ladede? Dette sker, fordi stykket papir oplever ladningspolarisering.
Elektroner i isolerende materialer som papir kan ikke bevæge sig frit som elektroner i ledermaterialer. Så når den negativt ladede plastik bringes tæt på papiret, afstødes de elektroner, der er bundet til atomet, væk fra den negativt ladede plastik. Således sker der en polarisering af den negative ladning og den positive ladning på papiret. Den negative ladning på papir er længere væk fra plastik, mens den positive ladning på papir har en afstand tættere på plastik. Derefter trækker den negative ladning på plastik den positive ladning på papiret, indtil papiret bevæger sig tættere på plastik.
Polariseringsprocessen af ladning, der forekommer på stykker papir, ligner den polarisering af ladning, der forekommer i dielektrikummet. Som vist på figuren til venstre, var der for eksempel i starten kun to stykker elektrisk ladede ledere. Den venstre plade er positivt ladet, mens den højre plade er negativt ladet, så retningen af det elektriske felt er fra venstre mod højre.
Efter at dielektrikumet er placeret mellem de to lederplader, trækker den positive ladning på den venstre plade elektronerne på den nærliggende dielektriske overflade. Derudover frastøder den negative ladning på den højre plade elektronerne på den nærliggende dielektriske overflade. Elektronerne i dielektrikumet, som er en isolator, kan ikke bevæge sig frit som elektroner i en leder. Derfor forbliver elektronerne bundet til atomet, men der er en polarisering af negativt ladede elektroner og positivt ladede protoner, som vist på figuren.
Tilstedeværelsen af en positiv ladning på højre side af de dielektriske atomer og en negativ ladning på venstre side af de dielektriske atomer giver anledning til et elektrisk felt, som går fra højre mod venstre, hvilket svækker det elektriske felt, der genereres af den elektriske ladning på lederpladen, som går fra venstre mod højre. Så det elektriske felt falder ikke fordi den elektriske ladning på lederens to plader/ark falder, men fordi det elektriske felt optræder i dielektrikumet i den modsatte retning. Hvis dielektrikumet frigives, vender den elektriske feltstyrke, der genereres af den elektriske ladning på lederens to plader/ark, tilbage til normal.
If
Hvis den elektriske feltstyrke, der genereres af den elektriske ladning på begge lederplader, reduceres, reduceres det elektriske potentiale mellem de to lederplader også. Fordi det elektriske felt er direkte proportionalt med det elektriske potentiale, som angivet i ligningen E = V / d, hvor E = elektrisk felt, V = elektrisk potentiale og d = afstanden mellem de to plader. Hvis der før er et elektrisk potentiale til dielektrikumet Vo, reduceres det elektriske potentiale efter dielektrikumet til V med faktoren K.
Matematisk set er Vo = KV eller V = Vo / K eller K = Vo / V, hvor K = dielektricitetskonstanten. Vo > V, så K > 1.
Bemærk venligst, at mængden af elektrisk ladning på begge lederplader eller -ark ikke ændrer sig, så mængden af den endelige ladning er lig med mængden af den oprindelige ladning (Q = Qo). Ændringen i kondensatorens kapacitans beregnes på følgende måde:
C = slutkapacitans, Co = startkapacitans, Q = slutladning, Qo = startladning, V = slutpotentiale, Vo = startpotentiale, K = dielektricitetskonstant
Baseret på ovenstående ligning konkluderes det, at den indledende kapacitans (Co) er mindre, mens den endelige kapacitans (C) er større. Kapacitansen øges med en faktor K, hvor K er den dielektriske konstant. Værdien af den dielektriske konstant for hvert isoleringsmateriale varierer. Den dielektriske konstant (K) er resultatet af forholdet mellem kondensatorens kapacitans, når der anvendes et dielektrikum, og kondensatorens kapacitans, når der ikke anvendes et dielektrikum.
Den dielektriske kapacitans øges, fordi afstanden mellem de to lederplader mindskes
En anden dielektrisk funktion er at reducere afstanden (d) mellem de to lederplader. Således at det elektriske felt (E) og den elektriske spænding (V) mellem de to plader eller ark af ledere øges, som angivet ved ligningen E = V / d. Hvis det elektriske felt og den elektriske spænding mellem de to plader eller ark øges, øges kondensatorens kapacitans.
Hvis de pågældende kondensatorer er parallelle, beregnes kapacitansen ved hjælp af følgende formel:
Baseret på de to ovenstående formler kan det konkluderes, at kapacitansen (C) af de parallelle pladekondensatorer kan forstørres ved at reducere afstanden mellem de to plader eller lederark (d).
Den dielektriske kapacitans stiger, fordi kondensatorens kapacitans stiger
Dielektrikumet er lavet af isolerende materiale, som, hvis det er i et stærkt elektrisk felt, vil blive beskadiget. Dielektrisk skade opstår, når det elektriske felt er så stærkt, at det kan flytte elektroner væk fra atomet, hvorefter elektronerne rammer elektroner på andre atomer, så der opstår en elektronstrøm i dielektrikumet. Med andre ord forårsager dielektrisk skade, at dielektrikumet, som er en elektrisk isolator, bliver til en elektrisk leder.
For at undgå skader har ethvert dielektrikum fremstillet af et bestemt isolerende materiale en maksimal elektrisk feltværdi, der kan holdes, kaldet dielektrisk styrke. Isolationsmaterialets dielektriske styrke er større end luftens dielektriske styrke, og hvert isoleringsmateriale har en forskellig dielektrisk styrke, nogle er små og nogle er store. Så hvis der anvendes et dielektrikum med en stor dielektrisk styrke, er det elektriske felt, der kan holdes, større, og den spænding, der kan holdes, er også større. Hvis det elektriske felt og den elektriske spænding, der genereres af lederens to plader eller ark, er større, desto større er mængden af elektrisk ladning, der kan optages af lederpladen. Jo mere ladning der er inde i lederpladen, desto større er kondensatorens kapacitans.
