Qual è la costante dielettrica?

IL Costante dielettrica È un valore associato al materiale che è posizionato tra le piastre di un condensatore (o condensatore - Figura 1) e che consente di ottimizzare e aumentare la sua funzione. (Giancoli, 2006). Il dielettrico è sinonimo di isolante elettrico, cioè sono materiali che non consentono il passaggio della corrente elettrica.

Questo valore è importante da molti aspetti, poiché è comune per tutti.

Figura 1: diversi tipi di condensatori.

Ad esempio, i nostri minicomponenti, televisori e dispositivi multimediali usano la corrente continua per le loro funzioni, ma le correnti domestiche e industriali che raggiungono le nostre case e lavori sono correnti alternative. Com'è possibile?.

Figura 2: circuito elettrico di un'attrezzatura domestica

La risposta a questa domanda è all'interno delle stesse apparecchiature elettriche ed elettroniche: condensatori (o condensatori). Questi componenti consentono, tra le altre cose, di rendere possibile la rettifica della corrente alternata alla corrente continua e la sua funzionalità dipende dalla geometria o dalla forma del condensatore e dal materiale dielettrico presente nel suo design.

I materiali dielettrici svolgono un ruolo importante, poiché consentono a molto di portare le piastre che compongono il condensatore, senza essere toccate e coprono completamente lo spazio tra queste piastre con materiale dielettrico per aumentare la funzionalità dei condensatori.

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Origine della costante dielettrica: condensatori e materiali dielettrici

Il valore di questa costante è un risultato sperimentale, cioè deriva dagli esperimenti realizzati con diversi tipi di materiali isolanti e risultanti nello stesso fenomeno: maggiore funzionalità o efficienza di un condensatore.

I condensatori hanno associato una grandezza fisica chiamata capacità "C" e che definisce la quantità di carica elettrica "Q" che può archiviare un condensatore fornendo una certa differenza potenziale "∆V" (Equazione 1).

Può servirti: quali sono gli elementi dell'universo?(Equazione 1)

Gli esperimenti hanno concluso che coprendo completamente lo spazio tra le piastre di un condensatore con un materiale dielettrico, i condensatori aumentano la loro capacità di un fattore κ, chiamato "costante dielettrica". (Equazione 2).

(Equazione 2)

La Figura 3 presenta un'illustrazione di un condensatore di capacità C di placche caricato in parallelo e, di conseguenza, con un campo elettrico uniforme diretto tra le sue piastre.

Nella parte superiore della figura c'è il condensatore con vuoto tra le sue piastre (vuoto - che consente ∊0). Quindi, in basso, viene presentato lo stesso condensatore con condensatore C '> C, con un dielettrico tra le sue piastre (di consentire ∊).

Figura 3: condensatore piatti piatti senza dielettrico e dielettrico.

Figueroa (2005), elenca tre funzioni per materiali dielettrici nei condensatori:

1. Consentono una costruzione rigida e compatta con una piccola separazione tra le piastre conduttive.
2. Consentono di applicare una maggiore tensione senza causare una scarica (il campo elettrico di rottura è maggiore di quello dell'aria)
3. Aumenta la capacità di condensatore in un fattore κ noto come costante del materiale del materiale.

Pertanto, l'autore indica che, κ "è chiamato costante del materiale del materiale e misura la risposta dei suoi dipoli molecolari a un campo magnetico esterno". Cioè, la costante dielettrica è maggiore è la polarità delle molecole di materiale.

Modelli atomici di dielettrico

I materiali presenti, in generale, accordi molecolari specifici che dipendono dalle molecole stesse e dagli elementi che li costituiscono in ciascun materiale. Tra le disposizioni molecolari coinvolte nei processi dielettrici c'è le "molecole polari" così chiamate o polarizzate.

Nelle molecole polari, esiste una separazione tra la posizione media dei carichi negativi e la posizione media delle cariche positive, facendoli avere poli elettrici.

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Ad esempio, la molecola d'acqua (Figura 4) ha una polarizzazione permanente perché il centro di distribuzione del carico positivo è al punto medio tra atomi di idrogeno. (Serway e Jewett, 2005).

Figura 4: distribuzione della molecola d'acqua.

Mentre nella molecola Beh2 (idruro di berillio - Figura 5), ​​molecola lineare, non si verifica la polarizzazione, poiché il centro di distribuzione del carico positivo (idrogeni) si trova nel centro di distribuzione del carico negativo (berillio), annullando qualsiasi polarizzazione che può esistere. Questa è una molecola non polare.

Figura 5: distribuzione di una molecola di idruro beryl.

Nello stesso ordine di idee, quando un materiale dielettrico è in presenza di un campo elettrico E, le molecole saranno allineate in base al campo elettrico, causando una densità di carico superficiale sulle facce dielettriche che affrontano le piastre del condensatore.

A causa di questo fenomeno, il campo elettrico all'interno del dielettrico è inferiore al campo elettrico esterno generato dal condensatore. Nella seguente illustrazione (Figura 6) un dielettrico polarizzato elettricamente è mostrato all'interno di un condensatore piatti piatti.

È importante notare che questo fenomeno è più facilmente nei materiali polari che nei non polari, a causa dell'esistenza di molecole polarizzate che interagiscono in modo più efficiente in presenza del campo elettrico. Sebbene, la singola presenza del campo elettrico provoca la polarizzazione delle molecole non polari, derivante nello stesso fenomeno dei materiali polari.

Figura 6: modelli delle molecole polarizzate di un dielettrico a causa del campo elettrico originato nel condensatore caricato.

Valori costanti dielettrici in alcuni materiali

A seconda della funzionalità, dell'economia e dell'ultima utilità dei condensatori, vengono utilizzati diversi materiali isolanti per ottimizzare il loro funzionamento.

Materiali come la carta sono molto economici, sebbene possano fallire con alte temperature o contatti con l'acqua. Mentre la gomma è ancora malleabile ma più resistente. Abbiamo anche la porcellana, che resiste a temperature elevate sebbene non possa essere adattata a modi diversi, se necessario.

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Di seguito è riportata una tabella specificata dalla costante dielettrica di alcuni materiali, in cui le costanti dielettriche non hanno unità (sono senza dimensioni):

Tabella 1: costanti dielettriche di alcuni materiali a temperatura ambiente.

Alcune applicazioni di materiali dielettrici

I materiali dielettrici sono importanti nella società globale con una vasta gamma di applicazioni, dalle comunicazioni terrestri e satellitari che includono software radio, GPS, monitoraggio ambientale attraverso i satelliti, tra gli altri. (Sebastian, 2010)

Inoltre, Fiedziuszko e altri (2002) descrivono l'importanza dei materiali dielettrici per lo sviluppo della tecnologia wireless, anche per la telefonia cellulare. Nella loro pubblicazione descrivono il pertinente di questo tipo di materiali nella miniaturizzazione dell'attrezzatura.

In questo ordine di idee, la modernità ha generato una grande domanda di materiali con costanti dielettriche alte e basse per lo sviluppo di una vita tecnologica. Questi materiali sono componenti essenziali per i dispositivi Internet in termini di funzioni di prestazione di archiviazione dei dati, comunicazioni e trasmissioni di dati. (Nalwa, 1999).

Riferimenti

1. Fedziuszko, s. J., Hunter, io. C., Itah, t., Kobayashi, e., Nishikawa, t., Stitzer, s. N., & Wakino, K. (2002). Materiali dielettrici, dispositivi e Circu. IEEE transazioni su teoria e tecniche del microonde, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, d. (2001). Interazione elettrica. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García e Son, SRL.
3. Giancoli, d. (2006). FISICO. Principio con applicazioni. Messico: Pearson Education.
4. Nalwa, h. S. (Ed.). (1999). Manuale di materiali costanti dielettrici bassi e alti e le loro applicazioni, set a due volumi. Elsevier.
5. Sebastian, m. T. (2010). Materiali dielettrici per comunicazione wireless. Elsevier.
6. Serway, r. & Jewett, J. (2005). Fisica per la scienza e l'ingegneria. Messico: redattori internazionali di Thomson.