דיאלקטרי

דיאלקטרי הוא מבודד המפריד בין שתי הלוחות או היריעות של המוליך על גבי הקבל. מבודדים הם חומרים שאינם יכולים להוליך זרם חשמלי, לדוגמה פלסטיק, זכוכית, נייר או עץ. תפקידם הדיאלקטרי הוא להגדיל את הקיבול כך שהקבל יוכל לאגור יותר מטען חשמלי ואנרגיה פוטנציאלית חשמלית.

קבל יכול לתפקד אם שני לוחות המוליכים אינם נוגעים זה בזה , כך שהמטען החשמלי לא יעבור ממוליך אחד למשנהו. באופן דומה, כדי שהמטען החשמלי לא יעבור מהמוליך לאוויר, הרווח בין שני המוליכים חייב להיות ואקום. בנושא על לוח מקביל, נדון הקיבול של קבלים בעלי לוחות מקבילים המופרדים על ידי ואקום. לקיבול של הקבל בוואקום יש מגבלות, כך שכדי להגדיל את הקיבול, יש למקם את החומר הדיאלקטרי בין שני הלוחות.

הדיאלקטרי מגדיל את הקיבול מכיוון שהפוטנציאל החשמלי בין שני לוחות המוליך פוחת.

מדוע הקיבול של הקבל גדל לאחר שהדיאלקטרי ממוקם בין שני הלוחות או היריעות? כדי לגלות את התשובה לשאלה זו, ראשית, זכרו את הלקח על המטען החשמלי. מטענים חשמליים דומים דוחים זה את זה, בעוד מטענים חשמליים שונים מושכים זה את זה. לדוגמה, מטען חיובי מושך מטען שלילי אך דוחה מטען חיובי. אם כן, מדוע פלסטיק טעון שלילי יכול למשוך פיסות נייר קטנות שאינן טעונות חשמלית? זה קורה מכיוון שפיסת הנייר חווה קיטוב מטען.

אלקטרונים בחומרי בידוד כמו נייר אינם יכולים לנוע בחופשיות כאלקטרונים בחומרי מוליך. לכן, כאשר הפלסטיק המטען השלילי מתקרב לדף הנייר, האלקטרונים הקשורים לאטום נדחים הרחק מהפלסטיק המטען השלילי. כך נוצר קיטוב של המטען השלילי והמטען החיובי על הנייר. המטען השלילי על הנייר רחוק יותר מפלסטיק, בעוד שהמטען החיובי על הנייר קרוב יותר מפלסטיק. לאחר מכן, המטען השלילי על הפלסטיק מושך את המטען החיובי על דף הנייר עד שהנייר מתקרב לפלסטיק.

תהליך הקיטוב של המטען המתרחש על פיסות נייר דומה לקיטוב המטען המתרחש בדיאלקטרי. כפי שמוצג באיור בצד שמאל, לדוגמה, בהתחלה היו רק שני חלקים של מוליכים טעונים חשמלית. הלוח השמאלי טעון באופן חיובי בעוד שהלוח הימני טעון באופן שלילי כך שכיוון השדה החשמלי הוא משמאל לימין.

לאחר שהדיאלקטרי ממוקם בין שני לוחות המוליך, המטען החיובי על הלוח השמאלי מושך את האלקטרונים על המשטח הדיאלקטרי הסמוך. בנוסף, המטען השלילי על הלוח הימני דוחה את האלקטרונים על המשטח הדיאלקטרי הסמוך. האלקטרונים בדיאלקטרי, שהוא מבודד, אינם חופשיים לנוע כמו אלקטרונים במוליך. לכן, אלקטרונים נשארים קשורים לאטום, אך יש קיטוב של אלקטרונים טעונים שלילי ופרוטונים טעונים חיובי, כפי שמוצג באיור.

נוכחות של מטען חיובי בצד ימין של האטומים הדיאלקטריים ומטען שלילי בצד שמאל של האטומים הדיאלקטריים יוצרת שדה חשמלי. זה מימין לשמאל, מה שמחליש את השדה החשמלי שנוצר על ידי המטען החשמלי על לוח המוליך, שזה משמאל לימין. לכן, השדה החשמלי פוחת לא בגלל שהמטען החשמלי על שני הלוחות/יריעות המוליך פוחת, אלא בגלל שהשדה החשמלי מופיע בדיאלקטרי בכיוון ההפוך. אם הדיאלקטרי משתחרר, עוצמת השדה החשמלי שנוצרת על ידי המטען החשמלי על שני הלוחות/יריעות המוליך חוזרת לנורמה.

If עוצמת השדה החשמלי שנוצרת על ידי המטען החשמלי על שני לוחות המוליך מצטמצמת, כך גם הפוטנציאל החשמלי בין שני לוחות המוליך מצטמצם. מכיוון שהשדה החשמלי הוא ביחס ישר לפוטנציאל החשמלי כפי שמצוין במשוואה E = V / d, כאשר E = שדה חשמלי, V = פוטנציאל חשמלי ו-d = המרחק בין שני לוחות. אם לפני כן יש פוטנציאל חשמלי לדיאלקטרי הוא Vo, אז אחרי הדיאלקטרי, הפוטנציאל החשמלי מצטמצם ל-V בגורם K.

מבחינה מתמטית, Vo = KV או V = Vo / K או K = Vo / V, כאשר K = הקבוע הדיאלקטרי. Vo > V כך ש- K > 1.

שימו לב שכמות המטען החשמלי על שני הלוחות או יריעות המוליכים אינה משתנה, כך שכמות המטען הסופי שווה לכמות המטען ההתחלתי (Q = Qo). השינוי בקיבול של הקבל מחושב באופן הבא:

C = קיבול סופי, Co = קיבול התחלתי, Q = מטען סופי, Qo = מטען התחלתי, V = פוטנציאל סופי, Vo = פוטנציאל התחלתי, K = קבוע דיאלקטרי

בהתבסס על המשוואה לעיל, המסקנה היא שהקיבול ההתחלתי (Co) קטן יותר בעוד שהקיבול הסופי (C) גדול יותר. הקיבול עולה בגורם K, כאשר K הוא הקבוע הדיאלקטרי. ערך הקבוע הדיאלקטרי של כל חומר מבודד משתנה. הקבוע הדיאלקטרי (K) הוא תוצאה של היחס בין הקיבול של הקבל בעת שימוש בדיאלקטרי, לקיבול של הקבל כאשר לא משתמשים בדיאלקטרי.

הקיבול הדיאלקטרי עולה מכיוון שהמרחק בין שני לוחות המוליך קטן יותר

פונקציה דיאלקטרית נוספת היא להקטין את המרחק (d) בין שני לוחות המוליכים. כך שהשדה החשמלי (E) והמתח החשמלי (V) בין שני לוחות או יריעות המוליכים יגדלו, כפי שמציין המשוואה E = V / d. אם השדה החשמלי והמתח החשמלי בין שני לוחות או יריעות יגדלו, אז הקיבול של הקבל יגדל.

אם הקבלים המדוברים מקבילים, הקיבול מחושב באמצעות הנוסחה הבאה:

בהתבסס על שתי הנוסחאות לעיל, ניתן להסיק כי ניתן להגדיל את הקיבול (C) של קבלי הלוחות המקבילים על ידי הקטנת המרחק בין שני הלוחות או יריעות המוליך (d).

הקיבול הדיאלקטרי עולה מכיוון שקיבול הקבל עולה

הדיאלקטרי עשוי מחומר מבודד אשר, אם הוא נמצא בשדה חשמלי חזק, יינזק. נזק דיאלקטרי מתרחש כאשר השדה החשמלי כה חזק שהוא יכול להזיז אלקטרונים מהאטום, ואז האלקטרונים פוגעים באלקטרונים על אטומים אחרים כך שמתרחשת זרימת אלקטרונים בדיאלקטרי. במילים אחרות, נזק דיאלקטרי גורם לדיאלקטרי, שהוא מבודד חשמלי, להפוך למוליך חשמלי.

כדי למנוע נזק, לכל חומר מבודד העשוי מחומר מבודד מסוים יש ערך שדה חשמלי מקסימלי שניתן להחזיק, הנקרא חוזק דיאלקטרי. החוזק הדיאלקטרי של חומר הבידוד גדול מהחוזק הדיאלקטרי של האוויר ולכל חומר מבודד יש חוזק דיאלקטרי שונה, חלקם קטנים וחלקם גדולים. לכן, אם משתמשים בחומר מבודד בעל חוזק דיאלקטרי גדול, השדה החשמלי שניתן להחזיק גדול יותר וגם המתח שניתן להחזיק גדול יותר. אם השדה החשמלי והמתח החשמלי הנוצרים על ידי שני הלוחות או היריעות של המוליך גדולים יותר, כך גדלה כמות המטען החשמלי שניתן להכיל על ידי לוח המוליך. ככל שיש יותר מטען בתוך לוח המוליך, כך גדל הקיבול של הקבל.