Ett dielektrikum är en isolator som separerar de två plattorna eller arken i ledaren på kondensatorn. Isolatorer är material som inte kan leda elektrisk ström, till exempel plast, glas, papper eller trä. Den dielektriska funktionen är att öka kapacitansen så att kondensatorn kan lagra mer elektrisk laddning och elektrisk potentiell energi.
En kondensator kan fungera om båda ledarplattorna inte vidrör varandra så att den elektriska laddningen inte rör sig från en ledare till en annan. På samma sätt, för att den elektriska laddningen inte ska röra sig från ledaren till luften, måste utrymmet mellan de två ledarna vara vakuum. I ämnet om parallellplattan har kondensatorn diskuterats kapacitansen hos parallellplattkondensatorer som är separerade av ett vakuum. Kondensatorns kapacitans i vakuum har begränsningar, så för att öka kapacitansen placeras dielektrikumet mellan de två plattorna.
Dielektrikumet ökar kapacitansen eftersom den elektriska potentialen mellan de två ledarplattorna minskar
Varför ökar kondensatorns kapacitans efter att dielektrikumet placerats mellan de två plattorna eller arken? För att ta reda på svaret på denna fråga, kom först ihåg lärdomen om elektrisk laddning. Lika elektriska laddningar stöter bort varandra, medan olika elektriska laddningar attraherar varandra. Till exempel attraherar en positiv laddning en negativ laddning men stöter bort en positiv laddning. Varför kan då negativt laddade plaster attrahera små pappersbitar som inte är elektriskt laddade? Detta händer eftersom pappersarket utsätts för laddningspolarisering.
Elektroner i isolerande material som papper kan inte röra sig fritt som elektroner i ledande material. Så när den negativt laddade plasten förs nära pappersarket, stöts elektronerna som är bundna till atomen bort från den negativt laddade plasten. Så det uppstår en polarisering av den negativa laddningen och den positiva laddningen på papperet. Den negativa laddningen på papper är längre bort från plasten, medan den positiva laddningen på papper har ett avstånd närmare plasten. Sedan drar den negativa laddningen på plasten den positiva laddningen på pappersarket tills papperet rör sig närmare plasten.
Polarisationsprocessen av laddning som sker på pappersbitar liknar polarisationen av laddning som sker i dielektrikumet. Som visas i figuren till vänster, till exempel, fanns det först bara två bitar elektriskt laddade ledare. Den vänstra plattan är positivt laddad medan den högra plattan är negativt laddad så att det elektriska fältet riktas från vänster till höger.
Efter att dielektrikumet placerats mellan de två ledarplattorna drar den positiva laddningen på den vänstra plattan elektronerna på den närliggande dielektriska ytan. Dessutom stöter den negativa laddningen på den högra plattan bort elektronerna på den närliggande dielektriska ytan. Elektronerna i dielektrikumet, som är en isolator, kan inte röra sig fritt som elektroner i en ledare. Därför förblir elektronerna bundna till atomen, men det finns en polarisering av negativt laddade elektroner och positivt laddade protoner, som visas i figuren.
Närvaron av en positiv laddning på höger sida av de dielektriska atomerna och en negativ laddning på vänster sida av de dielektriska atomerna ger upphov till ett elektriskt fält. Det är från höger till vänster, vilket försvagar det elektriska fältet som genereras av den elektriska laddningen på ledarplattan, som är från vänster till höger. Så det elektriska fältet minskar inte för att den elektriska laddningen på ledarens två plattor/skikt minskar, utan för att det elektriska fältet uppträder i dielektrikumet i motsatt riktning. Om dielektrikumet släpps, återgår den elektriska fältstyrkan som genereras av den elektriska laddningen på ledarens två plattor/skikt till det normala.
If
Om den elektriska fältstyrkan som genereras av den elektriska laddningen på båda ledarplattorna minskas, minskas även den elektriska potentialen mellan de två ledarplattorna. Eftersom det elektriska fältet är direkt proportionellt mot den elektriska potentialen, vilket anges i ekvationen E = V / d, där E = det elektriska fältet, V = den elektriska potentialen och d = avståndet mellan de två plattorna. Om det före dielektrikumet finns en elektrisk potential Vo, så minskas den elektriska potentialen efter dielektrikumet till V med faktorn K.
Matematiskt sett är Vo = KV eller V = Vo / K eller K = Vo / V, där K = dielektricitetskonstanten. Vo > V så att K > 1.
Observera att mängden elektrisk laddning på varken plattorna eller arken av ledare inte ändras, så mängden slutladdning är lika med mängden initialladdning (Q = Qo). Förändringen i kondensatorns kapacitans beräknas på följande sätt:
C = slutkapacitans, Co = initialkapacitans, Q = slutladdning, Qo = initialladdning, V = slutpotential, Vo = initialpotential, K = dielektricitetskonstant
Baserat på ekvationen ovan kan man dra slutsatsen att den initiala kapacitansen (Co) är mindre medan den slutliga kapacitansen (C) är större. Kapacitansen ökar med faktorn K, där K är dielektricitetskonstanten. Värdet på dielektricitetskonstanten för varje isolerande material varierar. Dielektricitetskonstanten (K) är resultatet av förhållandet mellan kondensatorns kapacitans när ett dielektrikum används och kondensatorns kapacitans när inget dielektrikum används.
Den dielektriska kapacitansen ökar eftersom avståndet mellan de två ledarplattorna minskar
En annan dielektrisk funktion är att minska avståndet (d) mellan de två ledarplattorna. Så att det elektriska fältet (E) och den elektriska spänningen (V) mellan de två plattorna eller arken av ledare ökar, vilket anges i ekvationen E = V / d. Om det elektriska fältet och den elektriska spänningen mellan de två plattorna eller arken ökar, ökar kondensatorns kapacitans.
Om kondensatorerna i fråga är parallella beräknas kapacitansen med följande formel:
Baserat på de två formlerna ovan kan man dra slutsatsen att kapacitansen (C) hos de parallella plattkondensatorerna kan ökas genom att minska avståndet mellan de två plattorna eller ledarskikten (d).
Den dielektriska kapacitansen ökar eftersom kondensatorns kapacitans ökar
Dielektrikumet är tillverkat av isolerande material som, om det befinner sig i ett starkt elektriskt fält, kommer att skadas. Dielektrisk skada uppstår när det elektriska fältet är så starkt att det kan flytta elektroner från atomen, varefter elektronerna träffar elektroner på andra atomer så att elektronflödet i dielektrikumet sker. Med andra ord, dielektrisk skada gör att dielektrikumet, som är en elektrisk isolator, omvandlas till en elektrisk ledare.
För att undvika skador har varje dielektrikum tillverkat av ett visst isolerande material ett maximalt elektriskt fältvärde som kan hållas, kallat dielektrisk hållfasthet. Isoleringsmaterialets dielektriska hållfasthet är större än luftens dielektriska hållfasthet och varje isolerande material har olika dielektriska hållfastheter, vissa är små och vissa är stora. Så om ett dielektrikum med hög dielektrisk hållfasthet används, är det elektriska fältet som kan hållas större och spänningen som kan hållas är också större. Om det elektriska fältet och den elektriska spänningen som genereras av ledarens två plattor eller arken är större, desto större mängd elektrisk laddning kan ledarplattan hantera. Ju mer laddning som finns inuti ledarplattan, desto större är kondensatorns kapacitans.
