Диэлектрик — это изолятор, разделяющий две пластины или листа проводника на конденсаторе. Изоляторами являются материалы, не проводящие электрический ток, например, пластик, стекло, бумага или дерево. Функция диэлектрика заключается в увеличении емкости, благодаря чему конденсатор может накапливать больше электрического заряда и электрической потенциальной энергии.
Конденсатор может функционировать, если обе пластины проводника не соприкасаются друг с другом , так что электрический заряд не перемещается от одного проводника к другому. Аналогично, чтобы электрический заряд не перемещался из проводника в воздух, пространство между двумя проводниками должно быть вакуумом. В разделе, посвященном параллельно-пластинчатым конденсаторам, рассматривалась емкость параллельно-пластинчатых конденсаторов, разделенных вакуумом. Емкость конденсатора в вакууме имеет ограничения, поэтому для увеличения емкости необходимо поместить диэлектрик между двумя пластинами.
Диэлектрик увеличивает емкость, поскольку электрический потенциал между двумя проводящими пластинами уменьшается.
Почему емкость конденсатора увеличивается после того, как между двумя пластинами или листами помещается диэлектрик? Чтобы найти ответ на этот вопрос, сначала вспомним урок об электрическом заряде. Одноименные электрические заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные — притягиваются. Например, положительный заряд притягивает отрицательный заряд, но отталкивает положительный. Тогда почему отрицательно заряженный пластик может притягивать маленькие кусочки бумаги, которые не имеют электрического заряда? Это происходит потому, что на кусочке бумаги происходит поляризация заряда.
В изоляционных материалах, таких как бумага, электроны не могут свободно перемещаться, в отличие от электронов в проводящих материалах. Поэтому, когда отрицательно заряженный пластик подносят близко к листу бумаги, электроны, связанные с атомами, отталкиваются от отрицательно заряженного пластика. В результате происходит поляризация отрицательного и положительного зарядов на бумаге. Отрицательный заряд на бумаге находится дальше от пластика, а положительный заряд на бумаге — ближе к пластику. Затем отрицательный заряд на пластике притягивает положительный заряд на листе бумаги до тех пор, пока бумага не приблизится к пластику.
Процесс поляризации заряда, происходящий на листах бумаги, аналогичен поляризации заряда в диэлектрике. Как показано на рисунке слева, например, изначально было только два электрически заряженных проводника. Левая пластина заряжена положительно, а правая — отрицательно, так что направление электрического поля — слева направо.
После того, как диэлектрик помещен между двумя проводящими пластинами, положительный заряд на левой пластине притягивает электроны на соседней поверхности диэлектрика. В свою очередь, отрицательный заряд на правой пластине отталкивает электроны на соседней поверхности диэлектрика. Электроны в диэлектрике, являющемся изолятором, не могут свободно перемещаться, как электроны в проводнике. Поэтому электроны остаются связанными с атомом, но происходит поляризация отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов, как показано на рисунке.
Наличие положительного заряда на правой стороне атомов диэлектрика и отрицательного заряда на левой стороне атомов диэлектрика приводит к возникновению электрического поля, направленного справа налево, что ослабляет электрическое поле, создаваемое электрическим зарядом на проводящей пластине, также направленным слева направо. Таким образом, электрическое поле уменьшается не из-за уменьшения электрического заряда на двух пластинах/листах проводника, а потому что электрическое поле в диэлектрике возникает в противоположном направлении. Если диэлектрик убрать, напряженность электрического поля, создаваемого электрическим зарядом на двух пластинах или листах проводника, вернется к норме.
If
Если напряженность электрического поля, создаваемого электрическим зарядом на обеих проводящих пластинах, уменьшается, то и электрический потенциал между ними также уменьшается. Поскольку электрическое поле прямо пропорционально электрическому потенциалу, как показано в уравнении E = V / d, где E = электрическое поле, V = электрический потенциал и d = расстояние между двумя пластинами, то если до образования диэлектрика электрический потенциал равен Vo, то после его образования он уменьшается до V в K раз.
Математически Vo = KV или V = Vo / K или K = Vo / V, где K = диэлектрическая постоянная. Vo > V, следовательно, K > 1.
Обратите внимание, что величина электрического заряда на обеих пластинах или листах проводника не изменяется, так что величина конечного заряда равна величине начального заряда (Q = Qo). Изменение емкости конденсатора рассчитывается следующим образом:
C = конечная емкость, Co = начальная емкость, Q = конечный заряд, Qo = начальный заряд, V = конечный потенциал, Vo = начальный потенциал, K = диэлектрическая постоянная
На основании приведенного выше уравнения можно заключить, что начальная емкость (Co) меньше, а конечная емкость (C) больше. Емкость увеличивается в K раз, где K — диэлектрическая постоянная. Значение диэлектрической постоянной каждого изоляционного материала различается. Диэлектрическая постоянная (K) — это отношение емкости конденсатора при использовании диэлектрика к емкости конденсатора без диэлектрика.
Диэлектрическая емкость увеличивается, поскольку расстояние между двумя проводящими пластинами уменьшается.
Еще одна диэлектрическая функция заключается в уменьшении расстояния (d) между двумя проводящими пластинами. В результате электрическое поле (E) и электрическое напряжение (V) между двумя пластинами или листами проводников увеличиваются, как это выражается уравнением E = V / d. Если электрическое поле и электрическое напряжение между двумя пластинами или листами увеличиваются, то емкость конденсатора возрастает.
Если рассматриваемые конденсаторы подключены параллельно, емкость рассчитывается по следующей формуле:
На основании двух приведенных выше формул можно сделать вывод, что емкость (C) параллельно-пластинчатых конденсаторов может быть увеличена за счет уменьшения расстояния между двумя пластинами или проводящими листами (d).
Диэлектрическая емкость увеличивается, потому что увеличивается емкость конденсатора.
Диэлектрик состоит из изоляционного материала, который при нахождении в сильном электрическом поле повреждается. Повреждение диэлектрика происходит, когда электрическое поле становится настолько сильным, что может смещать электроны с атома, после чего электроны сталкиваются с электронами других атомов, вызывая поток электронов в диэлектрике. Другими словами, повреждение диэлектрика приводит к тому, что диэлектрик, являющийся электрическим изолятором, превращается в электрический проводник.
Чтобы избежать повреждений, каждый диэлектрик, изготовленный из определенного изоляционного материала, имеет максимальное значение электрического поля, которое он может выдержать, называемое диэлектрической прочностью. Диэлектрическая прочность изоляционного материала больше, чем диэлектрическая прочность воздуха, и каждый изоляционный материал имеет разную диэлектрическую прочность: у одних она мала, у других велика. Поэтому, если используется диэлектрик с высокой диэлектрической прочностью, то и электрическое поле, которое он может выдержать, будет больше, и напряжение, которое он может выдержать, также будет больше. Если электрическое поле и электрическое напряжение, создаваемые двумя пластинами или листами проводника, больше, то большее количество электрического заряда может быть поглощено пластиной проводника. Чем больше заряда внутри пластины проводника, тем больше емкость конденсатора.
