Dielektromos

Egy kondenzátor akkor működhet, ha a két lemez/vezetőlap nem érintkezik egymással, így az elektromos töltés nem kerülhet át az egyik vezetőről a másikra. Hasonlóképpen, ahhoz, hogy az elektromos töltés ne kerüljön át a vezetőről a levegőbe, a két vezető közötti térnek vákuumnak kell lennie. A síkkondenzátorokról szóló cikkben a síkkondenzátor kapacitását tárgyaltuk, ahol a két lemezt vákuum választja el egymástól. Egy kondenzátor kapacitása vákuumban korlátozott, ezért a kapacitás növelése érdekében egy dielektrikum kerül a két lemez/vezetőlap közé.

A dielektrikum egy szigetelő, amely elválasztja a kondenzátor két vezető lemezét. A szigetelő olyan anyag, amely nem vezeti az elektromos áramot, például műanyag, üveg, papír vagy fa. A dielektrikum funkciója a kapacitás növelése, lehetővé téve a kondenzátor számára, hogy nagy mennyiségű elektromos töltést és potenciális energiát tároljon.

A dielektrikumok növelik a kapacitást, mivel a két vezető lemez közötti elektromos potenciál csökken.

Miért nő meg egy kondenzátor kapacitása, miután egy dielektrikum kerül a két lemez/vezetőréteg közé? A kérdés megválaszolásához először emlékezzünk a leckére a ...-ról. Elektromos töltésAz elektromos töltések taszítják, míg a pozitív töltések vonzzák egymást. Dielektromos 1negatív töltésűek, de pozitív töltésűek taszítják őket. Akkor miért vonzhatja a negatív töltésű műanyag a nem elektromos töltésű kis papírdarabokat? Ez azért történik, mert a papírdarabok töltéspolarizációt tapasztalnak. A szigetelőanyagokban, például a papírban lévő elektronok nem mozoghatnak szabadon, mint a vezető anyagokban lévő elektronok. Tehát, amikor negatív töltésű műanyagot papírdarabok közelébe viszünk, az atomokhoz kötött elektronok taszulnak a negatív töltésű műanyagtól, ami a papír negatív és pozitív töltésének polarizációját eredményezi. A papír negatív töltése távolabb van a műanyagtól, míg a papír pozitív töltése közelebb van a műanyaghoz. Továbbá a műanyag negatív töltése vonzza a papírdarabok pozitív töltését, amíg a könnyebb papír közelebb nem kerül a műanyaghoz.

A papírdarabban lejátszódó polarizációs folyamat, vagy töltéspolarizáció hasonló a dielektrikumban lejátszódó töltéspolarizációhoz. Amint például a bal oldali képen látható, kezdetben csak két elektromosan töltött vezetőlemez van. A bal oldali lemez pozitív, míg a jobb oldali lemez negatív töltésű, így az elektromos tér iránya balról jobbra van.

Miután a dielektrikum a két vezetőlap közé kerül, a bal oldali lap pozitív töltése vonzza a közeli dielektromos felületen lévő elektronokat, míg a jobb oldali lap negatív töltése taszítja a közeli dielektromos felületen lévő elektronokat. A dielektrikumban, amely egy szigetelőanyag, az elektronok nem mozoghatnak szabadon, mint a vezető elektronjai. Ezért az elektronok az atomokhoz kötődve maradnak, de a negatív töltésű elektronok és a pozitív töltésű protonok polarizációja következik be, ahogy az a képen is látható. A dielektromos atomok jobb oldalán lévő pozitív töltés és a dielektromos atomok bal oldalán lévő negatív töltés jobbról balra irányuló elektromos mezőt hoz létre, ezáltal gyengítve a vezetőlapon lévő balról jobbra irányuló elektromos töltés által létrehozott elektromos mezőt. Tehát az elektromos mező nem azért csökken, mert a két lemezen/vezetőlapon lévő elektromos töltés csökken, hanem azért, mert egy ellentétes irányú elektromos mező jelenik meg a dielektrikumban. Amikor a dielektrikumot eltávolítjuk, a két lemezen/vezetőlapon lévő elektromos töltés által létrehozott elektromos térerősség visszatér eredeti állapotába.

Dielektromos 2Ha a két vezetőlemezen lévő elektromos töltés által létrehozott elektromos tér erőssége csökken, akkor a két vezetőlemez közötti elektromos potenciál is csökken az elektromos tér miatt.Dielektromos 3 Az elektromosság egyenesen arányos az elektromos potenciállal, ahogy azt az E = V / d egyenlet mutatja, ahol E = elektromos tér, V = elektromos potenciál és d = a két lemez közötti távolság. Ha korábban dielektrikum volt, az elektromos potenciál V volt.o Tehát miután van egy dielektrikum, az elektromos potenciál K-szorosával V-ra csökken. Matematikailag Vo = KV vagy V = Vo / K vagy K = Vo / V, ahol K = dielektromos állandó. Vo > V úgy, hogy K>1.
Meg kell jegyezni, hogy a két lemez/vezetőlap elektromos töltése nem változik, így a végső töltés megegyezik a kezdeti töltésmennyiséggel (Q = Qo). A kondenzátor kapacitásának változását a következő képlettel számítjuk ki:

Dielektromos 4

Képletleírás: C = végső kapacitás, C0 = kezdeti kapacitás, Q = végső töltés, Q0 = kezdeti töltés, V = végső potenciál, V0 = kezdeti potenciál, K = dielektromos állandó

A fenti egyenlet alapján arra a következtetésre jutunk, hogy a kezdeti kapacitás (C0 ) kisebb, míg a végső kapacitás (C) nagyobb. A kapacitás K-szorosára nő, ahol K a dielektromos állandó. Az egyes szigetelőanyagok dielektromos állandójának értéke eltérő. A dielektromos állandó (K) a kondenzátor kapacitásának összehasonlításának eredménye dielektrikum használata esetén, és a kondenzátor kapacitásának összehasonlítása dielektrikum nélküli állapotban.

A dielektrikumok növelik a kapacitást, mivel a két vezetőlemez közötti távolság csökken.

A dielektrikum egy másik funkciója a két vezetőlemez közötti távolság (d) csökkentése, így a két vezetőlemez közötti elektromos térerősség (E) és elektromos feszültség (V) az E = V / d egyenlet szerint megnő. Ha a két lemez/lemez közötti elektromos térerősség és elektromos feszültség növekszik, akkor a kondenzátor kapacitása is növekszik.
Ha a szóban forgó kondenzátor egy párhuzamos lemez, akkor a kapacitását a következő képlettel számítjuk ki:

Dielektromos 5

A fenti két képlet alapján arra a következtetésre juthatunk, hogy egy síkkondenzátor kapacitása (C) növelhető a két lemez/vezetőlap közötti távolság (d) csökkentésével.

A dielektrikumok növelik a kapacitást, mivel a kondenzátor dielektromos szilárdsága nő.

A dielektromos anyagok szigetelőanyagokból készülnek, amelyek nagyon erős elektromos térbe helyezve átütést szenvednek. A dielektromos átütés akkor következik be, amikor az elektromos tér olyan erős, hogy elektronok leválását okozza az atomokról, ahol ezek az elektronok ütköznek más atomok elektronjaival, ami elektronáramlást okoz a dielektrikumon belül. Más szóval, a dielektromos átütés azt okozza, hogy a dielektrikum, amely egy elektromos szigetelő, elektromos vezetővé válik.

A károsodás elkerülése érdekében minden egyes, egy adott szigetelőanyagból készült dielektrikumnak van egy maximális elektromos térerőssége, amelyet el tud viselni, ezt nevezzük dielektromos szilárdságnak. Egy szigetelőanyag dielektromos szilárdsága nagyobb, mint a levegő dielektromos szilárdsága, és minden szigetelőanyag dielektromos szilárdsága eltérő, némelyik kicsi, némelyik nagy. Tehát, ha nagy dielektromos szilárdságú dielektrikumot használunk, a tartható elektromos tér nagyobb, és a tartható elektromos feszültség is nagyobb. Ha a két lemez/vezetőlap által generált elektromos tér és elektromos feszültség nagyobb, akkor a vezetőlap által befogadható elektromos töltés mennyisége is nagyobb. Minél több töltés van a vezetőlapban, annál nagyobb a kondenzátor kapacitása.

 

Hozzászólás írása