Dielektryk to izolator oddzielający dwie okładki lub arkusze przewodnika kondensatora. Izolatory to materiały, które nie przewodzą prądu elektrycznego, na przykład plastik, szkło, papier lub drewno. Funkcją dielektryka jest zwiększenie pojemności, dzięki czemu kondensator może magazynować więcej ładunku elektrycznego i energii potencjalnej.
Kondensator może działać, jeśli obie płytki przewodzące nie stykają się ze sobą, co uniemożliwia przenoszenie ładunku elektrycznego z jednego przewodnika do drugiego. Analogicznie, aby ładunek elektryczny nie przemieszczał się z przewodnika do powietrza, przestrzeń między dwoma przewodnikami musi być próżnią. W temacie dotyczącym płyt równoległych, omówiono pojemność kondensatorów równoległych, rozdzielonych próżnią. Pojemność kondensatora w próżni ma ograniczenia, dlatego aby ją zwiększyć, należy umieścić dielektryk między dwiema płytkami.
Dielektryk zwiększa pojemność, ponieważ potencjał elektryczny między dwiema płytkami przewodnika maleje
Dlaczego pojemność kondensatora wzrasta po umieszczeniu dielektryka między dwiema płytkami lub arkuszami? Aby znaleźć odpowiedź na to pytanie, należy najpierw przypomnieć sobie lekcję o ładunku elektrycznym. Ładunki elektryczne o różnym ładunku elektrycznym odpychają się, natomiast ładunki elektryczne o różnym ładunku elektrycznym przyciągają się. Na przykład, ładunek dodatni przyciąga ładunek ujemny, ale odpycha ładunek dodatni. Dlaczego więc ujemnie naładowane tworzywa sztuczne mogą przyciągać małe kawałki papieru, które nie są naładowane elektrycznie? Dzieje się tak, ponieważ kawałek papieru podlega polaryzacji ładunku.
Elektrony w materiałach izolacyjnych, takich jak papier, nie mogą się swobodnie poruszać, tak jak elektrony w materiałach przewodzących. Dlatego, gdy ujemnie naładowany plastik zostanie zbliżony do kawałka papieru, elektrony związane z atomem są odrzucane od ujemnie naładowanego plastiku. W ten sposób następuje polaryzacja ładunku ujemnego i dodatniego na papierze. Ładunek ujemny na papierze znajduje się dalej od plastiku, podczas gdy ładunek dodatni na papierze znajduje się bliżej plastiku. Następnie ładunek ujemny na plastiku przyciąga ładunek dodatni na kartce papieru, aż papier zbliży się do plastiku.
Proces polaryzacji ładunku zachodzący na kawałkach papieru jest podobny do polaryzacji ładunku zachodzącej w dielektryku. Jak pokazano na rysunku po lewej stronie, na początku istniały tylko dwa kawałki przewodników naładowanych elektrycznie. Lewa płytka jest naładowana dodatnio, a prawa ujemnie, tak że kierunek pola elektrycznego jest z lewej do prawej.
Po umieszczeniu dielektryka między dwiema płytkami przewodzącymi, ładunek dodatni na lewej płytce przyciąga elektrony z pobliskiej powierzchni dielektryka. Z kolei ładunek ujemny na prawej płytce odpycha elektrony z pobliskiej powierzchni dielektryka. Elektrony w dielektryku, który jest izolatorem, nie mogą się swobodnie poruszać, tak jak elektrony w przewodniku. W związku z tym elektrony pozostają związane z atomem, ale występuje polaryzacja ujemnie naładowanych elektronów i dodatnio naładowanych protonów, jak pokazano na rysunku.
Obecność ładunku dodatniego po prawej stronie atomów dielektryka i ładunku ujemnego po lewej stronie atomów dielektryka powoduje powstanie pola elektrycznego. Pole elektryczne jest skierowane od prawej do lewej, co osłabia pole elektryczne generowane przez ładunek elektryczny na płytce przewodnika, które jest skierowane od lewej do prawej. Zatem pole elektryczne maleje nie dlatego, że ładunek elektryczny na dwóch płytkach/warstwach przewodnika maleje, ale dlatego, że pole elektryczne pojawia się w dielektryku w przeciwnym kierunku. Po uwolnieniu dielektryka, natężenie pola elektrycznego generowanego przez ładunek elektryczny na dwóch płytkach/warstwach przewodnika wraca do normy.
If
Natężenie pola elektrycznego generowanego przez ładunek elektryczny na obu płytkach przewodnika ulega zmniejszeniu, co powoduje również zmniejszenie potencjału elektrycznego między płytkami. Ponieważ pole elektryczne jest wprost proporcjonalne do potencjału elektrycznego, jak wynika z równania E = V / d, gdzie E = pole elektryczne, V = potencjał elektryczny, a d = odległość między płytkami. Jeśli przed dielektrykiem potencjał elektryczny wynosi Vo, to po dielektryku potencjał elektryczny zmniejsza się do V o współczynnik K.
Matematycznie Vo = KV lub V = Vo / K lub K = Vo / V, gdzie K = stała dielektryczna. Vo> V, więc K> 1.
Należy pamiętać, że ilość ładunku elektrycznego na obu płytkach lub arkuszach przewodnika nie zmienia się, więc ilość ładunku końcowego jest równa ilości ładunku początkowego (Q = Qo). Zmianę pojemności kondensatora oblicza się w następujący sposób:
C = pojemność końcowa, Co = pojemność początkowa, Q = ładunek końcowy, Qo = ładunek początkowy, V = potencjał końcowy, Vo = potencjał początkowy, K = stała dielektryczna
Na podstawie powyższego równania można stwierdzić, że początkowa pojemność (Co) jest mniejsza, a końcowa (C) większa. Pojemność wzrasta o współczynnik K, gdzie K jest stałą dielektryczną. Wartość stałej dielektrycznej każdego materiału izolacyjnego jest różna. Stała dielektryczna (K) jest ilorazem pojemności kondensatora z dielektrykiem do pojemności kondensatora bez dielektryka.
Pojemność dielektryczna wzrasta, ponieważ odległość między dwiema płytkami przewodnika maleje
Inną funkcją dielektryczną jest zmniejszenie odległości (d) między dwiema płytkami przewodzącymi. W ten sposób pole elektryczne (E) i napięcie elektryczne (V) między dwiema płytkami lub arkuszami przewodnika rosną, zgodnie z równaniem E = V / d. Wraz ze wzrostem pola elektrycznego i napięcia elektrycznego między dwiema płytkami lub arkuszami kondensatora wzrasta również pojemność.
Jeżeli kondensatory są połączone równolegle, pojemność oblicza się według następującego wzoru:
Na podstawie powyższych dwóch wzorów można stwierdzić, że pojemność (C) kondensatorów płytkowych można zwiększyć poprzez zmniejszenie odległości między dwiema płytkami lub arkuszami przewodzącymi (d).
Pojemność dielektryczna wzrasta, ponieważ pojemność kondensatora wzrasta
Dielektryk jest wykonany z materiału izolacyjnego, który w silnym polu elektrycznym ulegnie uszkodzeniu. Uszkodzenie dielektryka występuje, gdy pole elektryczne jest tak silne, że może odepchnąć elektrony od atomu, a następnie elektrony zderzają się z elektronami innych atomów, powodując przepływ elektronów w dielektryku. Innymi słowy, uszkodzenie dielektryka powoduje, że dielektryk, który jest izolatorem elektrycznym, zamienia się w przewodnik elektryczny.
Aby uniknąć uszkodzeń, każdy dielektryk wykonany z określonego materiału izolacyjnego ma maksymalną wartość pola elektrycznego, jaką może wytrzymać, zwaną wytrzymałością dielektryczną. Wytrzymałość dielektryczna materiału izolacyjnego jest większa niż wytrzymałość dielektryczna powietrza, a każdy materiał izolacyjny ma inną wytrzymałość dielektryczną – niektóre są małe, a inne duże. Zatem, jeśli zastosuje się dielektryk o dużej wytrzymałości dielektrycznej, pole elektryczne, które może wytrzymać, będzie większe, a tym samym napięcie, które może wytrzymać. Im większe jest pole elektryczne i napięcie elektryczne generowane przez dwie płytki lub arkusze przewodnika, tym większy ładunek elektryczny może pomieścić płytka przewodząca. Im większy ładunek znajduje się wewnątrz płytki przewodzącej, tym większa jest pojemność kondensatora.
