Dielektrikas yra izoliatorius, skiriantis dvi laidininko plokštes arba lakštus ant kondensatoriaus. Izoliatoriai yra medžiagos, kurios negali praleisti elektros srovės, pavyzdžiui, plastikas, stiklas, popierius arba mediena. Dielektriko funkcija yra padidinti talpą, kad kondensatorius galėtų kaupti daugiau elektros krūvio ir elektros potencialinės energijos.
Kondensatorius gali funkcionuoti, jei abi laidininko plokštės nesiliečia viena su kita, kad elektros krūvis nepersikeltų iš vieno laidininko į kitą. Taip pat, kad elektros krūvis nepersikeltų iš laidininko į orą, erdvė tarp dviejų laidininkų turi būti vakuumas. Temoje apie lygiagrečias plokštes buvo aptarta kondensatoriaus talpa – lygiagrečių plokščių kondensatoriai, atskirti vakuumu. Kondensatoriaus talpa vakuume turi apribojimų, todėl norint ją padidinti, tarp dviejų plokščių reikia įdėti dielektriką.
Dielektrikas padidina talpą, nes sumažėja elektrinis potencialas tarp dviejų laidininkų plokščių.
Kodėl kondensatoriaus talpa padidėja, kai dielektrikas įdedamas tarp dviejų plokščių ar lakštų? Norėdami sužinoti atsakymą į šį klausimą, pirmiausia prisiminkite pamoką apie elektros krūvį. Elektros krūviai, skirtingai nei elektriniai krūviai, vienas kitą stumia, o traukia. Pavyzdžiui, teigiamas krūvis pritraukia neigiamą krūvį, o teigiamą – atstumia. Tad kodėl neigiamai įkrautas plastikas gali pritraukti mažus popieriaus gabalėlius, kurie nėra elektriškai įkrauti? Taip atsitinka todėl, kad popieriaus gabalas patiria krūvio poliarizaciją.
Izoliacinėse medžiagose, tokiose kaip popierius, elektronai negali laisvai judėti kaip laidininkų medžiagose. Taigi, kai neigiamai įkrautas plastikas priartinamas prie popieriaus lapo, prie atomo prisijungę elektronai yra atstumiami nuo neigiamai įkrauto plastiko. Taip popieriuje vyksta neigiamo ir teigiamo krūvio poliarizacija. Neigiamas krūvis ant popieriaus yra toliau nuo plastiko, o teigiamas krūvis ant popieriaus yra arčiau plastiko. Tuomet neigiamas plastiko krūvis traukia teigiamą popieriaus lapo krūvį, kol popierius priartėja prie plastiko.
Krūvio poliarizacijos procesas, vykstantis popieriaus lapuose, yra panašus į krūvio poliarizaciją dielektrike. Pavyzdžiui, kaip parodyta kairėje pusėje esančiame paveikslėlyje, iš pradžių buvo tik du elektra įkrauti laidininkai. Kairioji plokštė yra teigiamai įkrauta, o dešinioji - neigiamai, todėl elektrinio lauko kryptis yra iš kairės į dešinę.
Dielektrikui esant tarp dviejų laidininko plokščių, teigiamas krūvis kairiojoje plokštėje traukia elektronus nuo netoliese esančio dielektrinio paviršiaus. Be to, neigiamas krūvis dešinėje plokštėje stumia elektronus nuo netoliese esančio dielektrinio paviršiaus. Dielektriko, kuris yra izoliatorius, elektronai negali laisvai judėti kaip elektronai laidininke. Todėl elektronai lieka surišti su atomu, tačiau vyksta neigiamai įkrautų elektronų ir teigiamai įkrautų protonų poliarizacija, kaip parodyta paveiksle.
Teigiamo krūvio buvimas dešinėje dielektriko atomų pusėje ir neigiamo krūvio buvimas kairėje dielektriko atomų pusėje sukuria elektrinį lauką. Jis yra iš dešinės į kairę, o tai silpnina elektrinį lauką, kurį sukuria elektrinis krūvis ant laidininko plokštės, kuri yra iš kairės į dešinę. Taigi, elektrinis laukas silpnėja ne todėl, kad sumažėja elektrinis krūvis ant dviejų laidininko plokščių/lakštų, o todėl, kad dielektrike atsiranda elektrinis laukas priešinga kryptimi. Jei dielektrikas atleidžiamas, elektrinio lauko stipris, kurį sukuria elektrinis krūvis ant dviejų laidininko plokščių/lakštų, vėl tampa normalus.
If
Sumažėjus abiejų laidininkų plokščių elektros krūvio sukuriamo elektrinio lauko stipriui, sumažėja ir elektrinis potencialas tarp dviejų laidininkų plokščių. Kadangi elektrinis laukas yra tiesiogiai proporcingas elektriniam potencialui, kaip nurodyta lygtyje E = V / d, kur E = elektrinis laukas, V = elektrinis potencialas ir d = atstumas tarp dviejų plokščių. Jei prieš dielektriką yra elektrinis potencialas, kurio vertė yra Vo, tai po dielektriko elektrinis potencialas sumažėja iki V koeficientu K.
Matematiškai Vo = KV arba V = Vo / K arba K = Vo / V, kur K = dielektrinė konstanta. Vo > V, taigi K > 1.
Atkreipkite dėmesį, kad abiejų laidininkų plokščių arba lakštų elektros krūvio dydis nekinta, todėl galutinio krūvio dydis yra lygus pradinio krūvio dydžiui (Q = Qo). Kondensatoriaus talpos pokytis apskaičiuojamas taip:
C = galutinė talpa, Co = pradinė talpa, Q = galutinis krūvis, Qo = pradinis krūvis, V = galutinis potencialas, Vo = pradinis potencialas, K = dielektrinė konstanta
Remiantis aukščiau pateikta lygtimi, daroma išvada, kad pradinė talpa (Co) yra mažesnė, o galutinė talpa (C) yra didesnė. Talpa padidėja K koeficientu, kur K yra dielektrinė konstanta. Kiekvienos izoliacinės medžiagos dielektrinės konstantos vertė skiriasi. Dielektrinė konstanta (K) yra kondensatoriaus talpos, kai naudojamas dielektrikas, ir kondensatoriaus talpos, kai dielektrikas nenaudojamas, santykio rezultatas.
Dielektrinė talpa padidėja, nes sumažėja atstumas tarp dviejų laidininkų plokščių
Kita dielektrinė funkcija – sumažinti atstumą (d) tarp dviejų laidininkų plokščių. Taip padidėja elektrinis laukas (E) ir įtampa (V) tarp dviejų laidininkų plokščių, kaip nurodyta lygtyje E = V / d. Jei padidėja elektrinis laukas ir įtampa tarp dviejų plokščių, padidėja ir kondensatoriaus talpa.
Jei atitinkami kondensatoriai yra lygiagrečiai sujungti, talpa apskaičiuojama pagal šią formulę:
Remiantis dviem aukščiau pateiktomis formulėmis, galima daryti išvadą, kad plokščiųjų kondensatorių talpa (C) gali būti padidinta sumažinant atstumą tarp dviejų plokščių arba laidininkų lakštų (d).
Dielektrinė talpa padidėja, nes padidėja kondensatoriaus talpa
Dielektrikas pagamintas iš izoliacinės medžiagos, kuri, patekusi į stiprų elektrinį lauką, bus pažeista. Dielektriko pažeidimas įvyksta, kai elektrinis laukas yra toks stiprus, kad gali perkelti elektronus nuo atomo, o tada elektronai susiduria su kitų atomų elektronais, todėl vyksta elektronų srautas dielektrike. Kitaip tariant, dielektriko pažeidimas sukelia dielektriko, kuris yra elektros izoliatorius, virsmą elektros laidininku.
Siekiant išvengti pažeidimų, kiekvienas iš tam tikros izoliacinės medžiagos pagamintas dielektrikas turi maksimalią išlaikomą elektrinio lauko vertę, vadinamą dielektriniu stiprumu. Izoliacinės medžiagos dielektrinis stiprumas yra didesnis nei oro dielektrinis stiprumas, ir kiekvienos izoliacinės medžiagos dielektrinis stiprumas yra skirtingas – vienos yra mažos, kitos – didelės. Taigi, jei naudojamas dielektrikas, turintis didelį dielektrinį stiprumą, išlaikomas elektrinis laukas yra didesnis, o įtampa taip pat yra didesnė. Kuo didesnis elektrinio lauko stipris ir dviejų laidininko plokščių arba lakštų sukuriama įtampa, tuo didesnį elektros krūvį gali sutalpinti laidininko plokštė. Kuo daugiau krūvio yra laidininko plokštės viduje, tuo didesnė kondensatoriaus talpa.
