CARE ESTE CONSTANTA DIELECTRICA? - FIZIC - 2025

Constanta dielectrică este o valoare asociată cu materialul pe care este plasat între plăcile unui condensator (sau condensator - Figura 1) și care permite optimizarea și creșterea funcției sale. (Giancoli, 2006). Dielectric este sinonim cu izolatorul electric, adică sunt materiale care nu permit trecerea curentului electric.

Această valoare este importantă din mai multe aspecte, deoarece este obișnuit ca toată lumea să folosească echipamente electrice și electronice în casele noastre, spațiile de agrement, stațiile de învățământ sau de lucru, dar cu siguranță nu știm procesele complicate care apar în acest echipament pentru a putea funcționa.

Figura 1: Diferite tipuri de condensatoare.

De exemplu, minicomponentele noastre, televizoarele și dispozitivele multimedia folosesc curent continuu pentru funcțiile lor, dar curentii casnici și industriali care ajung la casele noastre și la locurile de muncă sunt curenți alternanți. Cum este posibil acest lucru?.

Figura 2: Circuitul electric al unui echipament casnic

Răspunsul la această întrebare se află în același echipament electric și electronic: condensatoare (sau condensatoare). Aceste componente permit, printre altele, să facă posibilă rectificarea curentului alternativ la curent continuu, iar funcționalitatea acestora depinde de geometria sau forma condensatorului și de materialul dielectric prezent în proiectarea sa.

Materialele dielectrice joacă un rol important, deoarece permit ca plăcile care alcătuiesc condensatorul să fie aduse foarte strâns, fără a se atinge și acoperă complet spațiul dintre plăcile menționate cu material dielectric pentru a crește funcționalitatea condensatorilor.

Originea constantei dielectrice: condensatoare și materiale dielectrice

Valoarea acestei constante este un rezultat experimental, adică provine din experimentele efectuate cu diferite tipuri de materiale izolante și care rezultă în același fenomen: funcționalitate crescută sau eficiența unui condensator.

Condensatoarele sunt asociate cu o cantitate fizică numită capacitanță "C", care definește cantitatea de sarcină electrică "Q" pe care un condensator o poate stoca prin furnizarea unei anumite diferențe de potențial "∆V" (Ecuația 1).

(Ecuația 1)

Experimentele au ajuns la concluzia că, acoperind complet spațiul dintre plăcile unui condensator cu un material dielectric, condensatorii își măresc capacitatea cu un factor κ, numit „constantă dielectrică”. (Ecuația 2).

(Ecuația 2)

O ilustrație a condensatorului C cu o placă paralelă plată încărcată și, prin urmare, cu un câmp electric uniform îndreptat în jos între plăcile sale este prezentată în figura 3.

În partea de sus a figurii se află condensatorul cu un vid între plăcile sale (vid - permisivitate ∊0). Apoi, în partea de jos, este prezentat același condensator cu capacitanța C '> C, cu un dielectric între plăcile sale (de permisivitate ∊).

Figura 3: Condensator placă paralelă fără dielectric și cu dielectric.

Figueroa (2005), listează trei funcții pentru materialele dielectrice în condensatoare:

1. Ele permit o construcție rigidă și compactă, cu un mic decalaj între plăcile conductoare.
2. Acestea permit aplicarea unei tensiuni mai mari fără a provoca o descărcare (câmpul electric de avarie este mai mare decât cel al aerului)
3. Crește capacitatea condensatorului cu un factor κ cunoscut sub numele de constanta dielectrică a materialului.

Astfel, autorul indică faptul că, κ „se numește constantă dielectrică a materialului și măsoară răspunsul dipolilor săi moleculari la un câmp magnetic extern”. Adică constanta dielectrică este mai mare cu cât polaritatea moleculelor materialului este mai mare.

Modele atomice de dielectrice

În general, materialele au aranjamente moleculare specifice care depind de moleculele în sine și de elementele care le compun în fiecare material. Printre aranjamentele moleculare care intervin în procesele dielectrice este cea a așa-numitelor „molecule polare” sau polarizate.

În moleculele polare, există o separare între poziția de mijloc a sarcinilor negative și poziția mijlocie a sarcinilor pozitive, determinând ca acestea să aibă poli electrici.

De exemplu, molecula de apă (figura 4) este permanent polarizată, deoarece centrul distribuției de sarcină pozitivă este la jumătatea distanței dintre atomii de hidrogen. (Serway și Jewett, 2005).

Figura 4: Distribuția moleculei de apă.

În timp ce în molecula BeH2 (hidrură de beriliu - figura 5), ​​o moleculă liniară, nu există polarizare, deoarece centrul de distribuție a sarcinilor pozitive (hidrogeni) este în centrul distribuției sarcinilor negative (beriliu) , anulând orice polarizare care ar putea exista. Aceasta este o moleculă nepolară.

Figura 5: Distribuția unei molecule de hidrură de beriliu.

În aceeași ordine de idei, când un material dielectric este în prezența unui câmp electric E, moleculele se vor alinia ca funcție a câmpului electric, provocând o densitate de încărcare a suprafeței pe fețele dielectricului care se confruntă cu plăcile condensatorului.

Datorită acestui fenomen, câmpul electric din interiorul dielectricului este mai mic decât câmpul electric extern generat de condensator. Următoarea ilustrație (Figura 6) arată un dielectric polarizat electric în interiorul unui condensator cu placă paralelă.

Este important de menționat că acest fenomen rezultă mai ușor în materialele polare decât în ​​cele nepolare, datorită existenței moleculelor polarizate care interacționează mai eficient în prezența câmpului electric. Deși, simpla prezență a câmpului electric determină polarizarea moleculelor nepolare, rezultând același fenomen ca și în cazul materialelor polare.

Figura 6: Modele ale moleculelor polarizate ale unui dielectric datorită câmpului electric originat în condensatorul încărcat.

Valori constante dielectrice în unele materiale

În funcție de funcționalitatea, economia și utilitatea finală a condensatoarelor, se utilizează diferite materiale izolante pentru a-și optimiza performanța.

Materialele precum hârtia sunt foarte ieftine, deși pot da greș la temperaturi ridicate sau în contact cu apa. În timp ce cauciucul, este încă maleabil, dar mai rezistent. De asemenea, avem porțelan, care rezistă la temperaturi ridicate, deși nu se poate adapta la diferite forme, după cum este necesar.

Mai jos este un tabel în care este specificată constanta dielectrică a unor materiale, în care constantele dielectrice nu au unități (nu au dimensiuni):

Tabelul 1: Constante dielectrice ale unor materiale la temperatura camerei.

Unele aplicații ale materialelor dielectrice

Materialele dielectrice sunt importante în societatea globală, cu o gamă largă de aplicații, de la comunicații terestre și prin satelit, inclusiv software radio, GPS, monitorizarea mediului prin sateliți, printre altele. (Sebastian, 2010)

Mai mult, Fiedziuszko și alții (2002) descriu importanța materialelor dielectrice pentru dezvoltarea tehnologiei wireless, inclusiv pentru telefonia celulară. În publicarea lor descriu relevanța acestui tip de materiale în miniaturizarea echipamentelor.

În această ordine de idei, modernitatea a generat o mare cerere de materiale cu constante dielectrice mari și mici pentru dezvoltarea unei vieți tehnologice. Aceste materiale sunt componente esențiale pentru dispozitivele de internet în ceea ce privește funcțiile de stocare a datelor, comunicațiile și performanțele transmisiilor de date. (Nalwa, 1999).

Referințe

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Materiale, dispozitive și circuite dielectrice. Tranzacții IEEE pentru teoria și tehnicile microundelor, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Interacțiune electrică. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García și Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FIZIC. Începând cu aplicațiile. Mexic: PEARSON EDUCACION.
4. Nalwa, HS (Ed.). (1999). Manual de materiale constante dielectrice mici și înalte și aplicațiile lor, set de două volume. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Materiale dielectrice pentru comunicare wireless. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Fizică pentru știință și inginerie. Mexic: International Thomson Editores.