Dielektrinen materiaali on eriste, joka erottaa kondensaattorin johtimen kaksi levyä tai arkkia toisistaan. Eristeet ovat materiaaleja, jotka eivät johda sähkövirtaa, esimerkiksi muovi, lasi, paperi tai puu. Dielektrisen materiaalin tehtävänä on lisätä kapasitanssia, jotta kondensaattori voi varastoida enemmän sähkövarausta ja sähköpotentiaalienergiaa.
Kondensaattori voi toimia , jos johdinlevyt eivät kosketa toisiaan, jolloin sähkövaraus ei siirry johtimesta toiseen. Samoin, jotta sähkövaraus ei siirry johtimesta ilmaan, johtimien välisen tilan on oltava tyhjiö. Levykondensaattoreita käsittelevässä aiheessa on käsitelty levykondensaattoreiden kapasitanssia, jotka on erotettu toisistaan tyhjiöllä. Kondensaattorin kapasitanssilla tyhjiössä on rajoituksensa, joten kapasitanssin suurentamiseksi eriste asetetaan kahden levyn väliin.
Dielektrinen materiaali lisää kapasitanssia, koska kahden johdinlevyn välinen sähköpotentiaali pienenee
Miksi kondensaattorin kapasitanssi kasvaa sen jälkeen, kun eriste asetetaan kahden levyn tai arkin väliin? Saadaksesi vastauksen tähän kysymykseen, muista ensin oppitunti sähkövarauksesta. Sähkövaraukset hylkivät toisiaan, kun taas sähkövaraukset vetävät toisiaan puoleensa. Esimerkiksi positiivinen varaus vetää puoleensa negatiivista varausta, mutta hylkii positiivista varausta. Miksi negatiivisesti varautuneet muovit voivat sitten vetää puoleensa pieniä paperinpaloja, jotka eivät ole sähköisesti varattuja? Tämä tapahtuu, koska paperinpalassa tapahtuu varauksen polarisaatiota.
Eristemateriaaleissa, kuten paperissa, elektronit eivät voi liikkua vapaasti kuten johdemateriaaleissa. Niinpä, kun negatiivisesti varautunut muovi tuodaan lähelle paperia, atomiin sitoutuneet elektronit hylkiytyvät negatiivisesti varautuneesta muovista. Näin paperin negatiivinen ja positiivinen varaus polarisoituvat. Paperin negatiivinen varaus on kauempana muovista, kun taas paperin positiivinen varaus on lähempänä muovia. Tällöin muovin negatiivinen varaus vetää paperin positiivista varausta puoleensa, kunnes paperi liikkuu lähemmäs muovia.
Paperilevyillä tapahtuva varauksen polarisaatioprosessi on samanlainen kuin dielektrisessä materiaalissa tapahtuva varauksen polarisaatio. Kuten esimerkiksi vasemmalla puolella olevassa kuvassa näkyy, aluksi oli vain kaksi sähköisesti varautunutta johdinta. Vasen levy on positiivisesti varautunut, kun taas oikea levy on negatiivisesti varautunut, joten sähkökentän suunta on vasemmalta oikealle.
Kun dielektrinen materiaali on asetettu kahden johdinlevyn väliin, vasemman levyn positiivinen varaus vetää puoleensa elektroneja läheisellä dielektrisellä pinnalla. Samalla oikean levyn negatiivinen varaus hylkii elektroneja läheisellä dielektrisellä pinnalla. Dielektrisen materiaalin, joka on eriste, elektronit eivät voi liikkua vapaasti kuten johtimen elektronit. Siksi elektronit pysyvät kiinni atomissa, mutta negatiivisesti varautuneiden elektronien ja positiivisesti varautuneiden protonien polarisaatio on olemassa, kuten kuvassa näkyy.
Positiivisen varauksen läsnäolo dielektristen atomien oikealla puolella ja negatiivisen varauksen läsnäolo dielektristen atomien vasemmalla puolella synnyttää sähkökentän. Tämä suuntautuu oikealta vasemmalle ja heikentää johdinlevyn sähkövarauksen synnyttämää sähkökenttää. Johdinlevy on suuntautunut vasemmalta oikealle. Sähkökenttä ei siis heikkene siksi, että johtimen kahden levyn/arkin sähkövaraus pienenisi, vaan koska sähkökenttä ilmestyy dielektriseen materiaaliin vastakkaiseen suuntaan. Jos dielektrinen materiaali irtoaa, johtimen kahden levyn/arkin sähkövarauksen synnyttämä sähkökentän voimakkuus palautuu normaaliksi.
If
Kun sähkövarauksen synnyttämä sähkökentän voimakkuus molemmissa johdinlevyissä pienenee, myös kahden johdinlevyn välinen sähköpotentiaali pienenee. Koska sähkökenttä on suoraan verrannollinen sähköpotentiaaliin, kuten yhtälössä E = V / d on esitetty, jossa E = sähkökenttä, V = sähköpotentiaali ja d = kahden levyn välinen etäisyys. Jos ennen dielektristä materiaalia on sähköpotentiaali Vo, niin dielektrisen materiaalin jälkeen sähköpotentiaali pienenee tekijällä K arvoon V.
Matemaattisesti Vo = KV tai V = Vo / K tai K = Vo / V, jossa K = dielektrinen vakio. Vo > V, jolloin K > 1.
Huomaa, että johdinlevyjen tai -kalvojen sähkövarauksen määrä ei muutu, joten lopullisen varauksen määrä on yhtä suuri kuin alkuperäisen varauksen määrä (Q = Qo). Kondensaattorin kapasitanssin muutos lasketaan seuraavasti:
C = loppukapasitanssi, Co = alkukapasitanssi, Q = loppuvaraus, Qo = alkuvaraus, V = loppupotentiaali, Vo = alkupotentiaali, K = dielektrinen vakio
Yllä olevan yhtälön perusteella voidaan päätellä, että alkukapasitanssi (Co) on pienempi, kun taas lopullinen kapasitanssi (C) on suurempi. Kapasitanssi kasvaa kertoimella K, jossa K on dielektrisyysvakio. Kunkin eristemateriaalin dielektrisyysvakion arvo vaihtelee. Dielektrisyysvakio (K) on kondensaattorin kapasitanssin suhde dielektristä materiaalia käytettäessä kondensaattorin kapasitanssiin ilman dielektristä materiaalia.
Dielektrinen kapasitanssi kasvaa, koska kahden johdinlevyn välinen etäisyys pienenee
Toinen dielektrinen funktio on pienentää kahden johdinlevyn välistä etäisyyttä (d). Näin kahden johdinlevyn tai -kalvon välinen sähkökenttä (E) ja sähköjännite (V) kasvavat yhtälön E = V / d mukaisesti. Jos kahden levyn tai kalvon välinen sähkökenttä ja sähköjännite kasvavat, kondensaattorin kapasitanssi kasvaa.
Jos kyseiset kondensaattorit ovat rinnakkain, kapasitanssi lasketaan seuraavalla kaavalla:
Yllä olevien kahden kaavan perusteella voidaan päätellä, että rinnakkaislevykondensaattoreiden kapasitanssia (C) voidaan suurentaa pienentämällä kahden levyn tai johdinlevyn välistä etäisyyttä (d).
Dielektrinen kapasitanssi kasvaa, koska kondensaattorin kapasitanssi kasvaa
Dielektrinen materiaali on valmistettu eristävästä materiaalista, joka vaurioituu voimakkaassa sähkökentässä. Dielektrinen vaurio syntyy, kun sähkökenttä on niin voimakas, että se voi siirtää elektroneja pois atomista, jolloin elektronit osuvat muiden atomien elektroneihin, jolloin elektronien virtaus dielektrisessä materiaalissa tapahtuu. Toisin sanoen dielektrinen vaurio saa sähköeristeen muuttumaan sähköjohtimeksi.
Vaurioiden välttämiseksi jokaisella tietystä eristemateriaalista valmistetulla dielektrisellä materiaalilla on suurin mahdollinen sähkökentän arvo, jota kutsutaan dielektriseksi lujuudeksi. Eristemateriaalin dielektrinen lujuus on suurempi kuin ilman dielektrinen lujuus, ja jokaisella eristemateriaalilla on erilainen dielektrinen lujuus, jotkut ovat pieniä ja jotkut suuria. Jos siis käytetään dielektristä materiaalia, jolla on suuri dielektrinen lujuus, pidettävissä oleva sähkökenttä on suurempi ja pidettävissä oleva jännite on myös suurempi. Mitä suuremmat sähkökentän voimakkuus ja johtimen kahden levyn tai arkin tuottama sähköjännite ovat, sitä suurempi on johdinlevyn vastaanottama sähkövaraus. Mitä enemmän varausta johdinlevyn sisällä on, sitä suurempi on kondensaattorin kapasitanssi.
