Dielektrik je izolator, ki ločuje dve plošči ali plasti prevodnika na kondenzatorju. Izolatorji so materiali, ki ne morejo prevajati električnega toka, na primer plastika, steklo, papir ali les. Dielektrična funkcija je povečati kapacitivnost, tako da lahko kondenzator shrani več električnega naboja in električne potencialne energije.
Kondenzator lahko deluje, če se prevodni plošči ne dotikata , tako da se električni naboj ne premika iz enega prevodnika v drugega. Prav tako mora biti prostor med obema prevodnikoma vakuum, da se električni naboj ne premakne iz prevodnika v zrak. V temi o vzporednih ploščah smo obravnavali kapacitivnost ploščatih kondenzatorjev, ki so ločeni z vakuumom. Kapaciteta kondenzatorja v vakuumu ima omejitve, zato za povečanje kapacitivnosti med ploščama namestimo dielektrik.
Dielektrik poveča kapacitivnost, ker se električni potencial med obema prevodnima ploščama zmanjša
Zakaj se kapacitivnost kondenzatorja poveča, ko med plošči ali listi postavimo dielektrik? Da bi našli odgovor na to vprašanje, se najprej spomnimo lekcije o električnem naboju. Enakopolni električni naboji se odbijajo, medtem ko se različni električni naboji privlačijo. Na primer, pozitivni naboj privlači negativni naboj, pozitivni naboj pa odbija. Zakaj potem negativno nabita plastika privlačijo majhne koščke papirja, ki niso električno nabiti? To se zgodi, ker kos papirja doživlja polarizacijo naboja.
Elektroni v izolacijskih materialih, kot je papir, se ne morejo prosto gibati kot elektroni v prevodnih materialih. Ko se negativno nabita plastika približa listu papirja, se elektroni, ki so vezani na atom, odbijejo stran od negativno nabite plastike. Torej pride do polarizacije negativnega in pozitivnega naboja na papirju. Negativni naboj na papirju je dlje od plastike, medtem ko je pozitivni naboj na papirju bližje plastiki. Nato negativni naboj na plastiki vleče pozitivni naboj na listu papirja, dokler se papir ne premakne bližje plastiki.
Proces polarizacije naboja, ki se pojavi na kosih papirja, je podoben polarizaciji naboja, ki se pojavi v dielektriku. Kot je na primer prikazano na sliki na levi strani, sta bila sprva le dva električno nabita prevodnika. Leva plošča je pozitivno nabita, desna pa negativno, tako da je smer električnega polja od leve proti desni.
Ko je dielektrik nameščen med dve prevodni plošči, pozitivni naboj na levi plošči privlači elektrone na bližnji dielektrični površini. Prav tako negativni naboj na desni plošči odbija elektrone na bližnji dielektrični površini. Elektroni v dielektriku, ki je izolator, se ne morejo prosto gibati kot elektroni v prevodniku. Zato elektroni ostanejo vezani na atom, vendar pride do polarizacije negativno nabitih elektronov in pozitivno nabitih protonov, kot je prikazano na sliki.
Prisotnost pozitivnega naboja na desni strani dielektričnih atomov in negativnega naboja na levi strani dielektričnih atomov povzroči nastanek električnega polja. To se dogaja od desne proti levi, kar oslabi električno polje, ki ga ustvarja električni naboj na prevodni plošči, kar se dogaja od leve proti desni. Električno polje se torej ne zmanjša zaradi zmanjšanja električnega naboja na obeh ploščah/ploščah prevodnika, temveč zato, ker se električno polje v dielektriku pojavi v nasprotni smeri. Če se dielektrik sprosti, se jakost električnega polja, ki ga ustvarja električni naboj na obeh ploščah ali ploščah prevodnika, vrne v normalno stanje.
If
Ko se jakost električnega polja, ki ga ustvarja električni naboj na obeh prevodnih ploščah, zmanjša, se zmanjša tudi električni potencial med obema prevodnima ploščama. Ker je električno polje neposredno sorazmerno z električnim potencialom, kot je navedeno v enačbi E = V / d, kjer je E = električno polje, V = električni potencial in d = razdalja med obema ploščama. Če je pred dielektrikom električni potencial Vo, se za dielektrikom električni potencial zmanjša na V za faktor K.
Matematično je Vo = KV ali V = Vo / K ali K = Vo / V, kjer je K = dielektrična konstanta. Vo > V, tako da je K > 1.
Upoštevajte, da se količina električnega naboja na obeh ploščah ali plasteh prevodnikov ne spreminja, tako da je količina končnega naboja enaka količini začetnega naboja (Q = Qo). Sprememba kapacitivnosti kondenzatorja se izračuna na naslednji način:
C = končna kapacitivnost, Co = začetna kapacitivnost, Q = končni naboj, Qo = začetni naboj, V = končni potencial, Vo = začetni potencial, K = dielektrična konstanta
Na podlagi zgornje enačbe sklepamo, da je začetna kapacitivnost (Co) manjša, končna kapacitivnost (C) pa večja. Kapaciteta se poveča za faktor K, kjer je K dielektrična konstanta. Vrednost dielektrične konstante vsakega izolacijskega materiala se razlikuje. Dielektrična konstanta (K) je rezultat razmerja med kapacitivnostjo kondenzatorja, če je uporabljen dielektrik, in kapacitivnostjo kondenzatorja, če dielektrik ni uporabljen.
Dielektrična kapacitivnost se poveča, ker se razdalja med obema prevodnima ploščama zmanjša
Druga dielektrična funkcija je zmanjšanje razdalje (d) med prevodnima ploščama. Tako se električno polje (E) in električna napetost (V) med prevodnima ploščama ali plastema povečata, kot je navedeno v enačbi E = V / d. Če se električno polje in električna napetost med prevodnima ploščama povečata, se poveča tudi kapacitivnost kondenzatorja.
Če so zadevni kondenzatorji vezani vzporedno, se kapacitivnost izračuna po naslednji formuli:
Na podlagi zgornjih dveh formul lahko sklepamo, da se kapacitivnost (C) ploščatih kondenzatorjev lahko poveča z zmanjšanjem razdalje med ploščama oziroma prevodnima slojema (d).
Dielektrična kapacitivnost se poveča, ker se kapacitivnost kondenzatorja poveča
Dielektrik je izdelan iz izolacijskega materiala, ki se bo, če bo v močnem električnem polju, poškodoval. Do poškodbe dielektrika pride, ko je električno polje tako močno, da lahko premakne elektrone z atoma, nato pa elektroni zadenejo elektrone na drugih atomih, tako da pride do pretoka elektronov v dielektriku. Z drugimi besedami, poškodba dielektrika povzroči, da se dielektrik, ki je električni izolator, spremeni v električni prevodnik.
Da bi se izognili poškodbam, ima vsak dielektrik, izdelan iz določenega izolacijskega materiala, največjo vrednost električnega polja, ki jo lahko prenese, imenovano dielektrična trdnost. Dielektrična trdnost izolacijskega materiala je večja od dielektrične trdnosti zraka, vsak izolacijski material pa ima drugačno dielektrično trdnost, nekatere so majhne, nekatere pa velike. Če torej uporabimo dielektrik z veliko dielektrično trdnostjo, je električno polje, ki ga lahko prenese, večje, in tudi napetost, ki jo lahko prenese, je večja. Če sta električno polje in električna napetost, ki jo ustvarita dve plošči ali listi prevodnika, večja, večja je količina električnega naboja, ki ga lahko prenese prevodna plošča. Več naboja kot je v prevodni plošči, večja je kapacitivnost kondenzatorja.
