Dielektrikum je izolant, ktorý oddeľuje dva plechy alebo vrstvy vodiča na kondenzátore. Izolanty sú materiály, ktoré nevedú elektrický prúd, napríklad plast, sklo, papier alebo drevo. Funkciou dielektrika je zvýšiť kapacitu, aby kondenzátor mohol ukladať viac elektrického náboja a elektrickej potenciálnej energie.
Kondenzátor môže fungovať , ak sa obe vodivé dosky navzájom nedotýkajú, aby sa elektrický náboj nepresúval z jedného vodiča do druhého. Podobne, aby sa elektrický náboj nepresúval z vodiča do vzduchu, priestor medzi týmito dvoma vodičmi musí byť vákuum. V téme o rovnobežných doskách sa diskutovalo o kapacite rovnobežných doskových kondenzátorov, ktoré sú oddelené vákuom. Kapacita kondenzátora vo vákuu má svoje obmedzenia, takže na zväčšenie kapacity je potrebné medzi dve dosky umiestniť dielektrikum.
Dielektrikum zvyšuje kapacitu, pretože elektrický potenciál medzi dvoma vodičovými doskami klesá.
Prečo sa kapacita kondenzátora zvýši po umiestnení dielektrika medzi dve dosky alebo fólie? Aby sme našli odpoveď na túto otázku, najprv si spomeňme na ponaučenie o elektrickom náboji. Podobné elektrické náboje sa navzájom odpudzujú, zatiaľ čo odlišné elektrické náboje sa navzájom priťahujú. Napríklad kladný náboj priťahuje záporný náboj, ale kladný náboj odpudzuje. Prečo potom záporne nabité plasty môžu priťahovať malé kúsky papiera, ktoré nie sú elektricky nabité? Deje sa to preto, lebo kus papiera je vystavený polarizácii náboja.
Elektróny v izolačných materiáloch, ako je papier, sa nemôžu voľne pohybovať ako elektróny vo vodivých materiáloch. Keď sa teda záporne nabitý plast priblíži k kusu papiera, elektróny viazané na atóm sú od neho odrážané. Dochádza tak k polarizácii záporného a kladného náboja na papieri. Záporný náboj na papieri je ďalej od plastu, zatiaľ čo kladný náboj na papieri je bližšie k plastu. Záporný náboj na plaste potom priťahuje kladný náboj na kuse papiera, až kým sa papier nepriblíži k plastu.
Proces polarizácie náboja, ku ktorému dochádza na papieri, je podobný polarizácii náboja, ku ktorej dochádza v dielektriku. Ako je znázornené napríklad na obrázku vľavo, najprv existovali iba dva kusy elektricky nabitých vodičov. Ľavá platňa je kladne nabitá, zatiaľ čo pravá platňa je záporne nabitá, takže smer elektrického poľa je zľava doprava.
Po umiestnení dielektrika medzi dve vodivé platne kladný náboj na ľavej platni priťahuje elektróny na blízkej dielektrickej ploche. Záporný náboj na pravej platni zároveň odpudzuje elektróny na blízkej dielektrickej ploche. Elektróny v dielektriku, ktoré je izolantom, sa nemôžu voľne pohybovať ako elektróny vo vodiči. Preto elektróny zostávajú viazané na atóm, ale dochádza k polarizácii záporne nabitých elektrónov a kladne nabitých protónov, ako je znázornené na obrázku.
Prítomnosť kladného náboja na pravej strane dielektrických atómov a záporného náboja na ľavej strane dielektrických atómov spôsobuje vznik elektrického poľa. Toto pole smeruje sprava doľava a oslabuje elektrické pole generované elektrickým nábojom na vodičovej doske zľava doprava. Elektrické pole sa teda neznižuje preto, že by sa znížil elektrický náboj na dvoch doskách/vrstvách vodiča, ale preto, že elektrické pole sa v dielektriku objavuje v opačnom smere. Ak sa dielektrikum uvoľní, intenzita elektrického poľa generovaná elektrickým nábojom na dvoch doskách alebo vrstvách vodiča sa vráti do normálu.
If
Keď sa zníži intenzita elektrického poľa generovaného elektrickým nábojom na oboch vodičových platniach, zníži sa aj elektrický potenciál medzi nimi. Pretože elektrické pole je priamo úmerné elektrickému potenciálu, ako je uvedené v rovnici E = V / d, kde E = elektrické pole, V = elektrický potenciál a d = vzdialenosť medzi dvoma platňami. Ak je pred dielektrikom elektrický potenciál Vo, potom za dielektrikom sa elektrický potenciál zníži na V faktorom K.
Matematicky, Vo = KV alebo V = Vo / K alebo K = Vo / V, kde K = dielektrická konštanta. Vo > V, takže K > 1.
Upozorňujeme, že množstvo elektrického náboja na oboch doskách alebo plátoch vodičov sa nemení, takže množstvo konečného náboja sa rovná množstvu počiatočného náboja (Q = Qo). Zmena kapacity kondenzátora sa vypočíta takto:
C = konečná kapacita, Co = počiatočná kapacita, Q = konečný náboj, Qo = počiatočný náboj, V = konečný potenciál, Vo = počiatočný potenciál, K = dielektrická konštanta
Na základe vyššie uvedenej rovnice sa usudzuje, že počiatočná kapacita (Co) je menšia, zatiaľ čo konečná kapacita (C) je väčšia. Kapacita sa zvyšuje faktorom K, kde K je dielektrická konštanta. Hodnota dielektrickej konštanty každého izolačného materiálu sa líši. Dielektrická konštanta (K) je výsledkom pomeru kapacity kondenzátora pri použití dielektrika ku kapacite kondenzátora bez použitia dielektrika.
Dielektrická kapacita sa zvyšuje, pretože sa zmenšuje vzdialenosť medzi dvoma vodičovými doskami
Ďalšou dielektrickou funkciou je zmenšenie vzdialenosti (d) medzi dvoma vodičovými doskami. Takže elektrické pole (E) a elektrické napätie (V) medzi dvoma vodičovými doskami alebo vrstvami sa zväčšujú, ako je uvedené v rovnici E = V / d. Ak sa elektrické pole a elektrické napätie medzi dvoma vodičmi zväčšujú, zvyšuje sa aj kapacita kondenzátora.
Ak sú príslušné kondenzátory zapojené paralelne, kapacita sa vypočíta pomocou nasledujúceho vzorca:
Na základe dvoch vyššie uvedených vzorcov možno vyvodiť záver, že kapacitu (C) doskových kondenzátorov možno zväčšiť zmenšením vzdialenosti medzi dvoma doskami alebo vodivými listami (d).
Dielektrická kapacita sa zvyšuje, pretože sa zvyšuje kapacita kondenzátora
Dielektrikum je vyrobené z izolačného materiálu, ktorý sa v silnom elektrickom poli poškodí. K poškodeniu dielektrika dochádza, keď je elektrické pole také silné, že dokáže uvoľniť elektróny z atómu, a potom elektróny narazia na elektróny na iných atómoch, čím dochádza k toku elektrónov v dielektriku. Inými slovami, poškodenie dielektrika spôsobí, že sa dielektrikum, ktoré je elektrickým izolantom, zmení na elektrický vodič.
Aby sa predišlo poškodeniu, každé dielektrikum vyrobené z určitého izolačného materiálu má maximálnu hodnotu elektrického poľa, ktorú dokáže udržať, nazývanú dielektrická pevnosť. Dielektrická pevnosť izolačného materiálu je väčšia ako dielektrická pevnosť vzduchu a každý izolačný materiál má inú dielektrickú pevnosť, niektoré sú malé a niektoré veľké. Takže ak sa použije dielektrikum s veľkou dielektrickou pevnosťou, elektrické pole, ktoré dokáže udržať, je väčšie a napätie, ktoré dokáže udržať, je tiež väčšie. Ak je elektrické pole a elektrické napätie generované dvoma doskami alebo vrstvami vodiča väčšie, tým väčšie množstvo elektrického náboja dokáže vodivá doska pojať. Čím viac náboja je vo vnútri vodivej dosky, tým väčšia je kapacita kondenzátora.
