Dielektrisk

En kondensator kan fungere hvis de to platene/lederarkene ikke berører hverandre, slik at den elektriske ladningen ikke beveger seg fra den ene lederen til den andre. På samme måte, for at den elektriske ladningen ikke skal bevege seg fra lederen til luften, må rommet mellom de to lederne være et vakuum. I artikkelen om parallelle platekondensatorer har kapasitansen til en parallell platekondensator blitt diskutert, hvor de to platene er atskilt av et vakuum. Kapasitansen til en kondensator i vakuum har begrensninger, så for å øke kapasitansen plasseres et dielektrikum mellom de to platene/lederarkene.

Et dielektrikum er en isolator som skiller de to ledende platene i en kondensator. En isolator er et materiale som ikke kan lede strøm, for eksempel plast, glass, papir eller tre. Funksjonen til et dielektrikum er å øke kapasitansen, slik at kondensatoren kan lagre en stor mengde elektrisk ladning og potensiell energi.

Dielektriske stoffer øker kapasitansen fordi det elektriske potensialet mellom de to ledende platene reduseres.

Hvorfor øker kapasitansen til en kondensator etter at et dielektrikum plasseres mellom de to platene/lederarkene? For å finne svaret på dette spørsmålet, husk først leksjonen om Elektrisk ladningLike elektriske ladninger frastøter hverandre, mens ulik elektriske ladninger tiltrekker hverandre. For eksempel tiltrekker positive ladninger hverandre. Dielektrisk 1med en negativ ladning, men frastøter med en positiv ladning. Hvorfor kan da negativt ladet plast tiltrekke seg små papirbiter som ikke er elektrisk ladet? Dette skjer fordi papirbitene opplever ladningspolarisering. Elektroner i isolerende materialer som papir kan ikke bevege seg fritt slik elektroner i ledende materialer. Så når negativt ladet plast bringes nær papirbiter, frastøtes elektronene som er bundet til atomene fra den negativt ladede plasten, noe som resulterer i polarisering av den negative ladningen og den positive ladningen på papiret. Den negative ladningen på papiret er lenger unna plasten, mens den positive ladningen på papiret er nærmere plasten. Videre tiltrekker den negative ladningen på plasten den positive ladningen på papirbitene inntil det lettere papiret beveger seg nærmere plasten.

Polarisasjonsprosessen, eller ladningspolarisasjonen, som skjer i et papirark, ligner på ladningspolarisasjonen som skjer i et dielektrikum. Som vist på bildet til venstre, er det for eksempel i utgangspunktet bare to elektrisk ladede lederplater. Den venstre platen er positivt ladet, mens den høyre platen er negativt ladet, så retningen på det elektriske feltet er fra venstre mot høyre.

Etter at dielektrikumet er plassert mellom de to lederplatene, tiltrekker den positive ladningen på den venstre platen elektronene på den nærliggende dielektriske overflaten, og den negative ladningen på den høyre platen frastøter elektronene på den nærliggende dielektriske overflaten. Elektronene i dielektrikumet, som er en isolator, kan ikke bevege seg fritt slik elektronene i lederen. Derfor forblir elektronene bundet til atomene, men det er en polarisering av de negativt ladede elektronene og de positivt ladede protonene, som vist på bildet. Tilstedeværelsen av en positiv ladning på høyre side av de dielektriske atomene og en negativ ladning på venstre side av de dielektriske atomene skaper et elektrisk felt som er rettet fra høyre til venstre, og dermed svekker det elektriske feltet som genereres av den elektriske ladningen på lederplaten som er rettet fra venstre til høyre. Så det elektriske feltet avtar ikke fordi den elektriske ladningen på de to platene/lederarkene avtar, men fordi et elektrisk felt dukker opp i dielektrikumet som er i motsatt retning. Når dielektrikumet fjernes, går den elektriske feltstyrken som genereres av den elektriske ladningen på de to platene/lederarkene tilbake til sin opprinnelige tilstand.

Dielektrisk 2Hvis styrken til det elektriske feltet som genereres av den elektriske ladningen på de to lederplatene avtar, avtar også det elektriske potensialet mellom de to lederplatene på grunn av det elektriske feltet.Dielektrisk 3 Elektrisitet er direkte proporsjonal med det elektriske potensialet som angitt i ligningen E = V / d, hvor E = elektrisk felt, V = elektrisk potensial og d = avstanden mellom de to platene. Hvis det før fantes et dielektrikum, var det elektriske potensialet Vo Så etter at det er et dielektrikum, reduseres det elektriske potensialet til V med en faktor K. Matematisk sett er Vo = KV eller V = Vo / K eller K = Vo / V, hvor K = dielektrisk konstant. Vo > V slik at K > 1.
Det skal bemerkes at mengden elektrisk ladning på begge platene/lederarkene ikke endres, slik at den endelige ladningsmengden er den samme som den opprinnelige ladningsmengden (Q = QoEndringen i kondensatorens kapasitans beregnes ved hjelp av følgende formel:

Dielektrisk 4

Formelbeskrivelse: C = sluttkapasitans, C o = startkapasitans, Q = sluttladning, Q o = startladning, V = sluttpotensial, V o = startpotensial, K = dielektrisk konstant

Basert på ligningen ovenfor konkluderes det med at den innledende kapasitansen (C o ) er mindre, mens den endelige kapasitansen (C) er større. Kapasitansen øker med en faktor K, hvor K er den dielektriske konstanten. Den dielektriske konstanten for hvert isolasjonsmateriale er forskjellig. Den dielektriske konstanten (K) er resultatet av å sammenligne kapasitansen til en kondensator når man bruker et dielektrikum med kapasitansen til kondensatoren når man ikke bruker et dielektrikum.

Dielektriske stoffer øker kapasitansen når avstanden mellom de to ledende platene reduseres.

En annen funksjon til dielektrikumet er å redusere avstanden (d) mellom de to lederplatene slik at det elektriske feltet (E) og den elektriske spenningen (V) mellom de to lederplatene/arkene øker som angitt av ligningen E = V / d. Hvis det elektriske feltet og den elektriske spenningen mellom de to platene/arkene øker, øker kondensatorens kapasitans.
Hvis kondensatoren det gjelder er en parallellplate, beregnes kapasitansen ved hjelp av følgende formel:

Dielektrisk 5

Basert på de to formlene ovenfor kan det konkluderes med at kapasitansen (C) til en parallellplatekondensator kan økes ved å redusere avstanden mellom de to platene/lederarkene (d).

Dielektriske stoffer øker kapasitansen fordi kondensatorens dielektriske styrke øker.

Dielektriske materialer er laget av isolerende materialer som, når de plasseres i et veldig sterkt elektrisk felt, vil oppleve gjennombrudd. Dielektrisk gjennombrudd oppstår når det elektriske feltet er så sterkt at det fører til at elektroner løsner fra atomer, hvor disse elektronene kolliderer med elektroner i andre atomer, noe som forårsaker elektronstrøm inne i dielektrikumet. Med andre ord fører dielektrisk gjennombrudd til at dielektrikumet, som er en elektrisk isolator, blir en elektrisk leder.

For å unngå skade har hvert dielektrikum laget av et bestemt isolerende materiale en maksimal elektrisk feltverdi det kan tåle, som kalles dielektrisk styrke. Den dielektriske styrken til et isolerende materiale er større enn den dielektriske styrken til luft, og hvert isolerende materiale har en annen dielektrisk styrke, noen er små og noen er store. Så hvis et dielektrikum med stor dielektrisk styrke brukes, er det elektriske feltet som kan holdes større, og den elektriske spenningen som kan holdes er også større. Hvis det elektriske feltet og den elektriske spenningen som genereres av de to platene/lederarkene er større, er mengden elektrisk ladning som kan opptas av lederplaten større. Jo mer ladning som er i lederplaten, desto større er kapasitansen til kondensatoren.

 

Legg igjen en kommentar