Een diëlektricum is een isolator die de twee platen of lagen van de geleider in een condensator scheidt. Isolatoren zijn materialen die geen elektrische stroom geleiden, zoals plastic, glas, papier of hout. De functie van een diëlektricum is het verhogen van de capaciteit, zodat de condensator meer elektrische lading en potentiële energie kan opslaan.
Een condensator kan functioneren als de twee geleidende platen elkaar niet raken, zodat er geen elektrische lading van de ene geleider naar de andere kan overgaan. Om te voorkomen dat er elektrische lading van de geleider naar de lucht overgaat, moet de ruimte tussen de twee geleiders vacuüm zijn. In het hoofdstuk over parallelle-plaatcondensatoren is de capaciteit van parallelle-plaatcondensatoren met een vacuüm ertussen besproken. De capaciteit van een condensator in een vacuüm is beperkt, daarom wordt er een diëlektrisch materiaal tussen de twee platen geplaatst om de capaciteit te vergroten.
Het diëlektricum verhoogt de capaciteit doordat de elektrische potentiaal tussen de twee geleidende platen afneemt.
Waarom neemt de capaciteit van de condensator toe nadat het diëlektricum tussen de twee platen of vellen is geplaatst? Om het antwoord op deze vraag te vinden, moeten we eerst de les over elektrische lading in herinnering brengen. Gelijke elektrische ladingen stoten elkaar af, terwijl tegengestelde elektrische ladingen elkaar aantrekken. Een positieve lading trekt bijvoorbeeld een negatieve lading aan, maar stoot een positieve lading af. Waarom kunnen negatief geladen plastics dan kleine stukjes papier aantrekken die niet elektrisch geladen zijn? Dit gebeurt omdat het stukje papier ladingspolarisatie ondergaat.
Elektronen in isolerende materialen zoals papier kunnen zich niet zo vrij bewegen als elektronen in geleidende materialen. Wanneer negatief geladen plastic dicht bij een stuk papier wordt gebracht, worden de elektronen die aan de atomen gebonden zijn, afgestoten door het negatief geladen plastic. Hierdoor ontstaat polarisatie van de negatieve en positieve lading op het papier. De negatieve lading op het papier bevindt zich verder van het plastic af, terwijl de positieve lading op het papier zich dichter bij het plastic bevindt. Vervolgens trekt de negatieve lading op het plastic de positieve lading op het papier aan, waardoor het papier dichter bij het plastic komt.
Het polarisatieproces van lading dat plaatsvindt op stukjes papier is vergelijkbaar met de polarisatie van lading in een diëlektricum. Zoals bijvoorbeeld in de afbeelding links te zien is, waren er aanvankelijk slechts twee elektrisch geladen geleiders. De linker plaat is positief geladen, terwijl de rechter plaat negatief geladen is, waardoor de richting van het elektrische veld van links naar rechts loopt.
Nadat het diëlektricum tussen de twee geleidende platen is geplaatst, trekt de positieve lading op de linkerplaat de elektronen aan op het nabijgelegen diëlektrische oppervlak. Tegelijkertijd stoot de negatieve lading op de rechterplaat de elektronen af op het nabijgelegen diëlektrische oppervlak. De elektronen in het diëlektricum, dat een isolator is, kunnen zich niet vrij bewegen zoals elektronen in een geleider. Daarom blijven de elektronen gebonden aan het atoom, maar er ontstaat een polarisatie van negatief geladen elektronen en positief geladen protonen, zoals weergegeven in de afbeelding.
De aanwezigheid van een positieve lading aan de rechterkant van de diëlektrische atomen en een negatieve lading aan de linkerkant van de diëlektrische atomen geeft aanleiding tot een elektrisch veld. Dit veld loopt van rechts naar links en verzwakt het elektrische veld dat wordt gegenereerd door de elektrische lading op de geleiderplaat, die van links naar rechts loopt. Het elektrische veld neemt dus niet af doordat de elektrische lading op de twee platen/lagen van de geleider afneemt, maar doordat er in het diëlektricum een elektrisch veld in de tegenovergestelde richting ontstaat. Als het diëlektricum wordt losgelaten, keert de sterkte van het elektrische veld dat door de elektrische lading op de twee platen of lagen van de geleider wordt gegenereerd terug naar de normale waarde.
If
Doordat de elektrische veldsterkte die door de elektrische lading op beide geleiderplaten wordt opgewekt, afneemt, neemt ook de elektrische potentiaal tussen de twee geleiderplaten af. Omdat het elektrische veld recht evenredig is met de elektrische potentiaal, zoals weergegeven in de vergelijking E = V / d, waarbij E = elektrisch veld, V = elektrische potentiaal en d = afstand tussen de twee platen. Als er voor de diëlektrische laag een elektrische potentiaal van Vo is, dan wordt deze na de diëlektrische laag met een factor K gereduceerd tot V.
Mathematisch gezien geldt Vo = KV of V = Vo / K of K = Vo / V, waarbij K de diëlektrische constante is. Vo > V, dus K > 1.
Houd er rekening mee dat de hoeveelheid elektrische lading op beide platen of geleiders niet verandert, zodat de uiteindelijke lading gelijk is aan de beginlading (Q = Qo). De verandering in capaciteit van de condensator wordt als volgt berekend:
C = eindcapaciteit, Co = begincapaciteit, Q = eindlading, Qo = beginlading, V = eindpotentiaal, Vo = beginpotentiaal, K = diëlektrische constante
Op basis van de bovenstaande vergelijking kan worden geconcludeerd dat de initiële capaciteit (Co) kleiner is, terwijl de uiteindelijke capaciteit (C) groter is. De capaciteit neemt toe met een factor K, waarbij K de diëlektrische constante is. De waarde van de diëlektrische constante varieert per isolatiemateriaal. De diëlektrische constante (K) is het resultaat van de verhouding tussen de capaciteit van de condensator met een diëlektricum en de capaciteit van de condensator zonder diëlektricum.
De diëlektrische capaciteit neemt toe doordat de afstand tussen de twee geleidende platen afneemt.
Een andere diëlektrische functie is het verkleinen van de afstand (d) tussen de twee geleidende platen. Hierdoor neemt het elektrische veld (E) en de elektrische spanning (V) tussen de twee platen of geleidende vellen toe, zoals weergegeven in de vergelijking E = V / d. Als het elektrische veld en de elektrische spanning tussen de twee platen of vellen toenemen, neemt de capaciteit van de condensator toe.
Als de betreffende condensatoren parallel geschakeld zijn, wordt de capaciteit berekend met de volgende formule:
Op basis van de twee bovenstaande formules kan worden geconcludeerd dat de capaciteit (C) van de parallelle plaatcondensatoren kan worden vergroot door de afstand tussen de twee platen of geleiderbladen (d) te verkleinen.
De diëlektrische capaciteit neemt toe omdat de capaciteit van de condensator toeneemt.
Een diëlektricum is gemaakt van isolerend materiaal dat beschadigd raakt als het zich in een sterk elektrisch veld bevindt. Diëlektrische schade treedt op wanneer het elektrische veld zo sterk is dat het elektronen van atomen losmaakt. Deze elektronen botsen vervolgens met elektronen van andere atomen, waardoor er een elektronenstroom in het diëlektricum ontstaat. Met andere woorden, diëlektrische schade zorgt ervoor dat het diëlektricum, dat normaal gesproken een elektrische isolator is, een elektrische geleider wordt.
Om schade te voorkomen, heeft elk diëlektricum, gemaakt van een bepaald isolatiemateriaal, een maximale elektrische veldsterkte die het kan weerstaan, de zogenaamde diëlektrische sterkte. De diëlektrische sterkte van het isolatiemateriaal is groter dan de diëlektrische sterkte van lucht, en elk isolatiemateriaal heeft een andere diëlektrische sterkte; sommige zijn klein en andere groot. Dus als een diëlektricum met een grote diëlektrische sterkte wordt gebruikt, is het elektrische veld dat het kan weerstaan groter en is de spanning die het kan weerstaan ook groter. Hoe groter het elektrische veld en de elektrische spanning die door de twee platen of lagen van de geleider worden opgewekt, hoe groter de hoeveelheid elektrische lading die de geleiderplaat kan opnemen. Hoe meer lading er in de geleiderplaat zit, hoe groter de capaciteit van de condensator.
