Ένα διηλεκτρικό είναι ένας μονωτής που διαχωρίζει τις δύο πλάκες ή φύλλα του αγωγού στον πυκνωτή. Οι μονωτές είναι υλικά που δεν μπορούν να άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα, για παράδειγμα, πλαστικό, γυαλί, χαρτί ή ξύλο. Η διηλεκτρική λειτουργία είναι να αυξήσει την χωρητικότητα, έτσι ώστε ο πυκνωτής να μπορεί να αποθηκεύσει περισσότερο ηλεκτρικό φορτίο και ηλεκτρική δυναμική ενέργεια.
Ένας πυκνωτής μπορεί να λειτουργήσει εάν και οι δύο πλάκες αγωγών δεν ακουμπούν μεταξύ τους, έτσι ώστε το ηλεκτρικό φορτίο να μην μετακινείται από τον έναν αγωγό στον άλλο. Ομοίως, για να μην μετακινείται το ηλεκτρικό φορτίο από τον αγωγό στον αέρα, ο χώρος μεταξύ των δύο αγωγών πρέπει να είναι κενό. Στο θέμα για την παράλληλη πλάκα, συζητήθηκε η χωρητικότητα των πυκνωτών παράλληλων πλακών που χωρίζονται από κενό. Η χωρητικότητα του πυκνωτή σε κενό έχει περιορισμούς, έτσι ώστε για να αυξηθεί η χωρητικότητα, τοποθετήστε το διηλεκτρικό μεταξύ των δύο πλακών.
Το διηλεκτρικό αυξάνει την χωρητικότητα επειδή το ηλεκτρικό δυναμικό μεταξύ των δύο πλακών αγωγού μειώνεται
Γιατί αυξάνεται η χωρητικότητα του πυκνωτή αφού τοποθετηθεί το διηλεκτρικό ανάμεσα στις δύο πλάκες ή φύλλα; Για να βρείτε την απάντηση σε αυτό το ερώτημα, θυμηθείτε πρώτα το μάθημα για το ηλεκτρικό φορτίο. Όπως τα ηλεκτρικά φορτία απωθούνται, ενώ αντίθετα τα ηλεκτρικά φορτία έλκονται. Για παράδειγμα, ένα θετικό φορτίο έλκει ένα αρνητικό φορτίο αλλά απωθεί ένα θετικό φορτίο. Τότε γιατί τα αρνητικά φορτισμένα πλαστικά μπορούν να έλκουν μικρά κομμάτια χαρτιού που δεν είναι ηλεκτρικά φορτισμένα; Αυτό συμβαίνει επειδή το κομμάτι χαρτιού υφίσταται πόλωση φορτίου.
Τα ηλεκτρόνια σε μονωτικά υλικά όπως το χαρτί δεν μπορούν να κινούνται ελεύθερα όπως τα ηλεκτρόνια στα αγώγιμα υλικά. Έτσι, όταν το αρνητικά φορτισμένο πλαστικό πλησιάζει το κομμάτι χαρτιού, τα ηλεκτρόνια που είναι συνδεδεμένα με το άτομο απορρίπτονται μακριά από το αρνητικά φορτισμένο πλαστικό. Έτσι, υπάρχει πόλωση του αρνητικού φορτίου και του θετικού φορτίου στο χαρτί. Το αρνητικό φορτίο στο χαρτί βρίσκεται πιο μακριά από το πλαστικό, ενώ το θετικό φορτίο στο χαρτί έχει μια απόσταση πιο κοντά στο πλαστικό. Στη συνέχεια, το αρνητικό φορτίο στο πλαστικό τραβάει το θετικό φορτίο στο κομμάτι χαρτιού μέχρι το χαρτί να πλησιάσει περισσότερο στο πλαστικό.
Η διαδικασία πόλωσης του φορτίου που συμβαίνει σε κομμάτια χαρτιού είναι παρόμοια με την πόλωση του φορτίου που συμβαίνει στο διηλεκτρικό. Όπως φαίνεται στο σχήμα στην αριστερή πλευρά, για παράδειγμα, στην αρχή υπήρχαν μόνο δύο κομμάτια ηλεκτρικά φορτισμένων αγωγών. Η αριστερή πλάκα είναι θετικά φορτισμένη ενώ η δεξιά πλάκα είναι αρνητικά φορτισμένη, έτσι ώστε η κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου να είναι από αριστερά προς τα δεξιά.
Αφού τοποθετηθεί το διηλεκτρικό ανάμεσα στις δύο αγώγιμες πλάκες, το θετικό φορτίο στην αριστερή πλάκα έλκει τα ηλεκτρόνια στην κοντινή διηλεκτρική επιφάνεια. Επίσης, το αρνητικό φορτίο στη δεξιά πλάκα απωθεί τα ηλεκτρόνια στην κοντινή διηλεκτρική επιφάνεια. Τα ηλεκτρόνια στο διηλεκτρικό, το οποίο είναι ένας μονωτής, δεν είναι ελεύθερα να κινούνται όπως τα ηλεκτρόνια σε έναν αγωγό. Επομένως, τα ηλεκτρόνια παραμένουν συνδεδεμένα με το άτομο, αλλά υπάρχει μια πόλωση αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων και θετικά φορτισμένων πρωτονίων, όπως φαίνεται στο σχήμα.
Η παρουσία ενός θετικού φορτίου στη δεξιά πλευρά των διηλεκτρικών ατόμων και ενός αρνητικού φορτίου στην αριστερή πλευρά των διηλεκτρικών ατόμων δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο. Το οποίο είναι από δεξιά προς τα αριστερά, το οποίο αποδυναμώνει το ηλεκτρικό πεδίο που παράγεται από το ηλεκτρικό φορτίο στην πλάκα του αγωγού, η οποία είναι από αριστερά προς τα δεξιά. Έτσι, το ηλεκτρικό πεδίο μειώνεται όχι επειδή μειώνεται το ηλεκτρικό φορτίο στις δύο πλάκες/φύλλα του αγωγού, αλλά επειδή το ηλεκτρικό πεδίο εμφανίζεται στο διηλεκτρικό προς την αντίθετη κατεύθυνση. Εάν το διηλεκτρικό απελευθερωθεί, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου που παράγεται από το ηλεκτρικό φορτίο στις δύο πλάκες ή φύλλα του αγωγού επανέρχεται στο φυσιολογικό.
If
Όσο μειώνεται η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου που παράγεται από το ηλεκτρικό φορτίο και στις δύο αγώγιμες πλάκες, τόσο μειώνεται και το ηλεκτρικό δυναμικό μεταξύ των δύο αγώγιμων πλακών. Επειδή το ηλεκτρικό πεδίο είναι ευθέως ανάλογο με το ηλεκτρικό δυναμικό, όπως αναφέρεται στην εξίσωση E = V / d, όπου E = ηλεκτρικό πεδίο, V = ηλεκτρικό δυναμικό και d = απόσταση μεταξύ των δύο πλακών. Εάν πριν από το διηλεκτρικό υπάρχει ηλεκτρικό δυναμικό Vo, τότε μετά το διηλεκτρικό, το ηλεκτρικό δυναμικό μειώνεται σε V κατά συντελεστή K.
Μαθηματικά, Vo = KV ή V = Vo / K ή K = Vo / V, όπου K = διηλεκτρική σταθερά. Vo> V έτσι ώστε K> 1.
Λάβετε υπόψη ότι η ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου και στις δύο πλάκες ή φύλλα των αγωγών δεν αλλάζει, έτσι ώστε η ποσότητα του τελικού φορτίου να είναι ίση με την ποσότητα του αρχικού φορτίου (Q = Qo). Η μεταβολή της χωρητικότητας του πυκνωτή υπολογίζεται με τον ακόλουθο τρόπο:
C = τελική χωρητικότητα, Co = αρχική χωρητικότητα, Q = τελικό φορτίο, Qo = αρχικό φορτίο, V = τελικό δυναμικό, Vo = αρχικό δυναμικό, K = διηλεκτρική σταθερά
Με βάση την παραπάνω εξίσωση, συμπεραίνεται ότι η αρχική χωρητικότητα (Co) είναι μικρότερη ενώ η τελική χωρητικότητα (C) είναι μεγαλύτερη. Η χωρητικότητα αυξάνεται κατά έναν παράγοντα K, όπου K είναι η διηλεκτρική σταθερά. Η τιμή της διηλεκτρικής σταθεράς κάθε μονωτικού υλικού ποικίλλει. Η διηλεκτρική σταθερά (K) είναι το αποτέλεσμα του λόγου της χωρητικότητας του πυκνωτή όταν χρησιμοποιείται διηλεκτρικό, προς την χωρητικότητα του πυκνωτή όταν δεν χρησιμοποιείται διηλεκτρικό.
Η διηλεκτρική χωρητικότητα αυξάνεται επειδή η απόσταση μεταξύ των δύο πλακών αγωγού μειώνεται
Μια άλλη διηλεκτρική λειτουργία είναι η μείωση της απόστασης (d) μεταξύ των δύο πλακών αγωγών. Έτσι ώστε το ηλεκτρικό πεδίο (E) και η ηλεκτρική τάση (V) μεταξύ των δύο πλακών ή φύλλων αγωγών να αυξάνονται, όπως δηλώνεται από την εξίσωση E = V / d. Εάν το ηλεκτρικό πεδίο και η ηλεκτρική τάση μεταξύ των δύο πλακών ή φύλλων αυξηθούν, τότε η χωρητικότητα του πυκνωτή αυξάνεται.
Εάν οι εν λόγω πυκνωτές είναι παράλληλοι, η χωρητικότητα υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:
Με βάση τους δύο παραπάνω τύπους, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η χωρητικότητα (C) των πυκνωτών παράλληλων πλακών μπορεί να αυξηθεί μειώνοντας την απόσταση μεταξύ των δύο πλακών ή των αγώγιμων φύλλων (d).
Η διηλεκτρική χωρητικότητα αυξάνεται επειδή αυξάνεται η χωρητικότητα του πυκνωτή
Το διηλεκτρικό είναι κατασκευασμένο από μονωτικό υλικό το οποίο, εάν βρίσκεται σε ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, θα υποστεί ζημιά. Διηλεκτρική βλάβη συμβαίνει όταν το ηλεκτρικό πεδίο είναι τόσο ισχυρό που μπορεί να μετακινήσει ηλεκτρόνια από το άτομο, και στη συνέχεια τα ηλεκτρόνια χτυπούν ηλεκτρόνια σε άλλα άτομα, έτσι ώστε να συμβαίνει η ροή ηλεκτρονίων στο διηλεκτρικό. Με άλλα λόγια, η διηλεκτρική βλάβη προκαλεί τη μετατροπή του διηλεκτρικού, το οποίο είναι ένας ηλεκτρικός μονωτής, σε ηλεκτρικό αγωγό.
Για την αποφυγή ζημιών, κάθε διηλεκτρικό υλικό που κατασκευάζεται από ένα συγκεκριμένο μονωτικό υλικό έχει μια μέγιστη τιμή ηλεκτρικού πεδίου που μπορεί να συγκρατηθεί, η οποία ονομάζεται διηλεκτρική αντοχή. Η διηλεκτρική αντοχή του μονωτικού υλικού είναι μεγαλύτερη από τη διηλεκτρική αντοχή του αέρα και κάθε μονωτικό υλικό έχει διαφορετική διηλεκτρική αντοχή, μερικά είναι μικρά και μερικά είναι μεγάλα. Έτσι, εάν χρησιμοποιηθεί ένα διηλεκτρικό που έχει μεγάλη διηλεκτρική αντοχή, το ηλεκτρικό πεδίο που μπορεί να συγκρατηθεί είναι μεγαλύτερο και η τάση που μπορεί να συγκρατηθεί είναι επίσης μεγαλύτερη. Εάν το ηλεκτρικό πεδίο και η ηλεκτρική τάση που παράγεται από τις δύο πλάκες ή φύλλα του αγωγού είναι μεγαλύτερες, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου που μπορεί να δεχτεί η πλάκα του αγωγού. Όσο περισσότερο φορτίο υπάρχει μέσα στην πλάκα του αγωγού, τόσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή.
