Dielektrik on isolaator, mis eraldab kondensaatoril oleva juhi kahte plaati või lehte. Isolaatorid on materjalid, mis ei juhi elektrivoolu, näiteks plastik, klaas, paber või puit. Dielektriku ülesanne on suurendada mahtuvust, et kondensaator saaks salvestada rohkem elektrilaengut ja elektrilist potentsiaalset energiat.
A kondensaator saab toimida, kui mõlemad juhtplaadid ei puutu kokku, nii et elektrilaeng ei liiguks ühelt juhilt teisele. Samamoodi peab kahe juhi vaheline ruum olema vaakum, et elektrilaeng ei liiguks juhilt õhku. Paralleelplaatide teemas on käsitletud kondensaatorit ja paralleelplaatide kondensaatorite mahtuvust, mis on eraldatud vaakumiga. Kondensaatori mahtuvusel vaakumis on piirid, seega mahtuvuse suurendamiseks asetatakse kahe plaadi vahele dielektrik.
Dielektrik suurendab mahtuvust, kuna kahe juhtplaadi vaheline elektriline potentsiaal väheneb.
Miks kondensaatori mahtuvus suureneb pärast dielektriku asetamist kahe plaadi või lehe vahele? Sellele küsimusele vastuse leidmiseks tuletage kõigepealt meelde õppetundi elektrilaengu kohta. Elektrilaengud tõukuvad üksteist, elektrilaengud aga tõmbuvad üksteist. Näiteks positiivne laeng tõmbab ligi negatiivset laengut, kuid tõukab positiivset laengut. Miks saavad negatiivselt laetud plastid ligi tõmmata väikeseid paberitükke, mis ei ole elektriliselt laetud? See juhtub seetõttu, et paberitükk kogeb laengu polarisatsiooni.
Isolatsioonimaterjalides, näiteks paberis, ei saa elektronid vabalt liikuda nagu elektronid juhtivates materjalides. Seega, kui negatiivselt laetud plastik viiakse paberitüki lähedale, lükatakse aatomiga seotud elektronid negatiivselt laetud plastist eemale. Seega toimub paberi negatiivse ja positiivse laengu polarisatsioon. Paberil olev negatiivne laeng on plastikust kaugemal, samas kui paberil olev positiivne laeng on plastikule lähemal. Seejärel tõmbab plastiku negatiivne laeng paberitüki positiivset laengut enda poole, kuni paber liigub plastikule lähemale.
Paberitükkidel toimuv laengu polariseerumisprotsess sarnaneb dielektrikus toimuva laengu polariseerumisega. Nagu näiteks vasakpoolsel joonisel näidatud, oli alguses ainult kaks elektrilaenguga juhti. Vasak plaat on positiivselt laetud, parem aga negatiivselt laetud, nii et elektrivälja suund on vasakult paremale.
Pärast dielektriku asetamist kahe juhtplaadi vahele tõmbab vasakpoolse plaadi positiivne laeng lähedalasuva dielektrilise pinna elektrone. Samal ajal tõukab parempoolse plaadi negatiivne laeng lähedalasuva dielektrilise pinna elektrone eemale. Dielektrikus, mis on isolaator, olevad elektronid ei saa vabalt liikuda nagu juhi elektronid. Seetõttu jäävad elektronid aatomi külge seotuks, kuid toimub negatiivselt laetud elektronide ja positiivselt laetud prootonite polarisatsioon, nagu joonisel näidatud.
Positiivse laengu olemasolu dielektriliste aatomite paremal küljel ja negatiivse laengu olemasolu dielektriliste aatomite vasakul küljel tekitab elektrivälja. See liigub paremalt vasakule ja nõrgestab elektrivälja, mis tekib juhtplaadil (mis liigub vasakult paremale). Seega ei vähene elektriväli mitte seetõttu, et juhi kahel plaadil/lehel olev elektrilaeng väheneb, vaid seetõttu, et elektriväli ilmub dielektrikusse vastassuunas. Kui dielektrik vabastatakse, normaliseerub juhi kahel plaadil või lehel oleva elektrilaengu tekitatud elektrivälja tugevus.
If
Mõlema juhtplaadi elektrilaengu tekitatud elektrivälja tugevus väheneb, seega väheneb ka kahe juhtplaadi vaheline elektripotentsiaal. Kuna elektriväli on otseselt proportsionaalne elektripotentsiaaliga, nagu on näidatud võrrandis E = V / d, kus E = elektriväli, V = elektripotentsiaal ja d = kahe plaadi vaheline kaugus. Kui enne dielektrikut on elektripotentsiaal Vo, siis pärast dielektrikut väheneb elektripotentsiaal K võrra V-ni.
Matemaatiliselt on Vo = KV või V = Vo / K või K = Vo / V, kus K = dielektriline konstant. Vo > V, nii et K > 1.
Pange tähele, et elektrilaengu suurus mõlemal juhtplaadil või -lehel ei muutu, seega on lõplik laengu suurus võrdne esialgse laengu suurusega (Q = Qo). Kondensaatori mahtuvuse muutus arvutatakse järgmiselt:
C = lõppmahtuvus, Co = algmahtuvus, Q = lõpplaeng, Qo = alglaeng, V = lõpppotentsiaal, Vo = algpotentsiaal, K = dielektriline konstant
Ülaltoodud võrrandi põhjal järeldub, et algmahtuvus (Co) on väiksem, samas kui lõppmahtuvus (C) on suurem. Mahtuvus suureneb K-kordselt, kus K on dielektriline konstant. Iga isoleermaterjali dielektrilise konstandi väärtus on erinev. Dielektriline konstant (K) on kondensaatori mahtuvuse ja dielektrikuta kondensaatori mahtuvuse suhe.
Dielektriline mahtuvus suureneb, kuna kahe juhtplaadi vaheline kaugus väheneb
Teine dielektriline funktsioon on vähendada kahe juhtplaadi vahelist kaugust (d). Nii suurenevad kahe juhtplaadi või -lehe vaheline elektriväli (E) ja elektripinge (V), nagu on näidatud võrrandis E = V / d. Kui kahe plaadi või -lehe vaheline elektriväli ja elektripinge suurenevad, siis suureneb ka kondensaatori mahtuvus.
Kui kõnealused kondensaatorid on paralleelsed, arvutatakse mahtuvus järgmise valemi abil:
Kahe ülaltoodud valemi põhjal võib järeldada, et paralleelplaatide kondensaatorite mahtuvust (C) saab suurendada kahe plaadi või juhtlehe vahelise kauguse (d) vähendamise teel.
Dielektriline mahtuvus suureneb, kuna kondensaatori mahtuvus suureneb
Dielektrik on valmistatud isoleerivast materjalist, mis tugevas elektriväljas olles kahjustub. Dielektriline kahjustus tekib siis, kui elektriväli on nii tugev, et see suudab elektrone aatomilt eemale liigutada, seejärel põrkavad elektronid teiste aatomite elektronidega kokku, nii et toimub elektronide voog dielektrikus. Teisisõnu, dielektriline kahjustus põhjustab elektriisolaatorina toimiva dielektriku muutumise elektrijuhiks.
Kahjustuste vältimiseks on igal teatud isoleermaterjalist valmistatud dielektrikul maksimaalne elektrivälja väärtus, mida ta suudab hoida, mida nimetatakse dielektriliseks tugevuseks. Isolatsioonimaterjali dielektriline tugevus on suurem kui õhu dielektriline tugevus ja igal isoleermaterjalil on erinev dielektriline tugevus, mõned on väikesed ja mõned suured. Seega, kui kasutatakse suure dielektrilise tugevusega dielektrikut, on hoitav elektriväli suurem ja samuti on suurem hoitav pinge. Mida suuremad on juhi kahe plaadi või lehe tekitatud elektriväli ja elektripinge, seda suuremat elektrilaengut suudab juhtplaat hoida. Mida rohkem laengut on juhtplaadi sees, seda suurem on kondensaatori mahtuvus.
