Επίδραση Διηλεκτρικών στους Πυκνωτές

Διηλεκτρικά μέσα όπως γυαλί, μαρμαρυγία κ.λπ. χρησιμοποιούνται κατά την κατασκευή πυκνωτών για την αύξηση της χωρητικότητάς τους.

Η επίδραση των διηλεκτρικών σε έναν πυκνωτή είναι πολύ σημαντική από την άποψη της χωρητικότητάς του. Ο ηλεκτρισμός δεν μπορεί να περάσει μέσα από τα διηλεκτρικά επειδή είναι κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού, αλλά αποθηκεύουν το ηλεκτρικό φορτίο χρησιμοποιώντας την ιδιότητά τους να πολώνονται.

Τα διηλεκτρικά είναι κακοί αγωγοί ηλεκτρικού ρεύματος, αλλά αποθηκεύουν ηλεκτροστατικά φορτία ενώ απελευθερώνουν πολύ λίγη ενέργεια. Η πλειοψηφία αυτής της ενέργειας έρχεται με τη μορφή θερμότητας. Η μαρμαρυγία, τα πολυμερή, η πορσελάνη, τα οξείδια μετάλλων και το γυαλί είναι μερικά παραδείγματα διηλεκτρικών.

Η κύρια επίδραση που έχουν τα διηλεκτρικά στους πυκνωτές είναι ότι αυξάνουν την χωρητικότητα των πυκνωτών.

Πυκνωτές

Ο πυκνωτής είναι μια συσκευή αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας που λειτουργεί σε ηλεκτρικό πεδίο. Είναι ένα παθητικό ηλεκτρικό εξάρτημα δύο ακροδεκτών.

Χωρητικότητα είναι η λέξη που χρησιμοποιείται για να περιγράψει την ικανότητα του πυκνωτή να συγκρατεί ηλεκτρικό φορτίο σε μια συγκεκριμένη τάση. Ενώ οποιοιδήποτε δύο ηλεκτρικοί αγωγοί σε κοντινή απόσταση σε ένα κύκλωμα έχουν κάποια χωρητικότητα, ένας πυκνωτής είναι ένα εξάρτημα που προορίζεται ειδικά να προσδώσει χωρητικότητα σε ένα κύκλωμα.

Διηλεκτρικά

Ένα διηλεκτρικό είναι ένας ηλεκτρικός μονωτήρας που μπορεί να πολωθεί από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο (ή διηλεκτρικό μέσο ή υλικό). Όταν ένα ηλεκτρικό πεδίο εφαρμόζεται σε ένα διηλεκτρικό υλικό, τα ηλεκτρικά φορτία δεν ρέουν μέσα από αυτό όπως θα ρέουν σε έναν ηλεκτρικό αγωγό λόγω της απουσίας δεσμευμένων ή ελεύθερων ηλεκτρονίων να παρασύρονται μέσα από αυτό. Αντίθετα, μετακινούνται ελαφρώς από την κανονική θέση ισορροπίας τους, με αποτέλεσμα τη διηλεκτρική πόλωση.

Ανεξάρτητα από το γεγονός ότι το όνομα μονωτήρας υποδηλώνει ελάχιστη ηλεκτρική αγωγιμότητα, τα διηλεκτρικά συνήθως αναφέρονται σε υλικά που είναι εξαιρετικά πολωτικά.

Παραδείγματα διηλεκτρικών είναι:γυαλί, μαρμαρυγία, πλαστικές μεμβράνες, στρώματα οξειδίου, κεραμικά, πορσελάνη κ.λπ.

Η ηλεκτρική επιδεκτικότητα και η διαπερατότητα ενός διηλεκτρικού

Η ηλεκτρική επιδεκτικότητα ενός διηλεκτρικού είναι το μέτρο της ευκολίας του υλικού να πολωθεί. Όσο μεγαλύτερη είναι η ηλεκτρική επιδεκτικότητα ενός διηλεκτρικού σημαίνει τόσο πιο εύκολα μπορεί να πολωθεί. Η ηλεκτρική επιδεκτικότητα ενός διηλεκτρικού καθορίζει επίσης την ηλεκτρική διαπερατότητα αυτού του υλικού.

Η ηλεκτρική διαπερατότητα συνήθως συμβολίζεται με ε.

Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή

Η χωρητικότητα υποδηλώνει την χωρητικότητα του πυκνωτή λαμβάνοντας υπόψη τη διατήρηση του φορτίου σε μια συγκεκριμένη διαφορά δυναμικού.

Για τη μέτρηση της χωρητικότητας, χρησιμοποιούμε δύο ποσότητες. Πρώτον είναι η ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου που αποθηκεύεται σε έναν αγωγό του οποίου η χωρητικότητα πρέπει να βρεθεί και δεύτερον είναι η διαφορά δυναμικού στην οποία αποθηκεύεται αυτό το ηλεκτρικό φορτίο.

Η χωρητικότητα είναι ο λόγος της ποσότητας ηλεκτρικού φορτίου που αποθηκεύεται από τον πυκνωτή προς τη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού.

Αν συμβολίσουμε την χωρητικότητα με C, τότε παίρνουμε:

C =qV

όπου, q =ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου που διατηρεί ο αγωγός

και V =διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού στην οποία τοποθετείται ο αγωγός

Αυτό δείχνει ότι όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα ενός αγωγού, τόσο περισσότερο ηλεκτρικό φορτίο μπορεί να αποθηκεύσει στη δεδομένη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού.

Επίδραση των διηλεκτρικών στους πυκνωτές και η σημασία που έχουν

Όταν οι πυκνωτές κατασκευάζονται για εμπορική χρήση, κατασκευάζονται με στερεά διηλεκτρικά υλικά.
Όσο μεγαλύτερη χωρητικότητα έχει ένας πυκνωτής, τόσο περισσότερο φορτίο μπορεί να αποθηκεύσει σε μια δεδομένη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού.
Συνήθως, οι πυκνωτές χρησιμοποιούν ένα διηλεκτρικό υλικό του οποίου η ηλεκτρική διαπερατότητα είναι υψηλή ως το ενδιάμεσο μέσο μεταξύ των αποθηκευμένων αρνητικών και θετικών φορτίων.
Το άμεσο πλεονέκτημα της χρήσης τέτοιων διηλεκτρικών υλικών με υψηλή ηλεκτρική διαπερατότητα είναι ότι εμποδίζει τις αγώγιμες πλάκες να έρθουν σε άμεση ηλεκτρική επαφή στην οποία αποθηκεύονται τα φορτία.
Η υψηλότερη διαπερατότητα του διηλεκτρικού υλικού επιτρέπει την αποθήκευση μεγαλύτερης ποσότητας ηλεκτρικού φορτίου σε μια συγκεκριμένη τάση.
Αν η απόσταση μεταξύ των αγώγιμων πλακών ενός αγωγού είναι "d", η ηλεκτρική διαπερατότητα του διηλεκτρικού είναι ε, η ομοιόμορφη πυκνότητα ηλεκτρικού φορτίου σε αυτές τις αγώγιμες πλάκες είναι σε, τότε, η πυκνότητα φορτίου δίνεται από:

σ=Vd

όπου V υποδηλώνει τη διαφορά στην ηλεκτρική τάση στην οποία διατηρούνται οι πλάκες.

Η χωρητικότητα ανά μονάδα επιφάνειας στις πλάκες στη συνέχεια αξιολογείται ως

C =σ / V =d

Έτσι, μπορεί να φανεί ότι καθώς αυξάνεται η ηλεκτρική διαπερατότητα του διηλεκτρικού υλικού, αυξάνεται και η χωρητικότητα του πυκνωτή. Αυτή είναι η σημασία των διηλεκτρικών στους πυκνωτές. Αυτή η επίδραση των διηλεκτρικών στους πυκνωτές χρησιμοποιείται για την αύξηση της χωρητικότητας των αγωγών.

Η αντίσταση ιονισμού περιλαμβάνεται επίσης στα διηλεκτρικά υλικά που χρησιμοποιούνται στους πυκνωτές. Αυτό επιτρέπει στον πυκνωτή να λειτουργεί σε υψηλότερες τάσεις προτού ιονιστεί το μονωτικό διηλεκτρικό, επιτρέποντας τη διέλευση ανεπιθύμητου ρεύματος.

Συμπέρασμα

Το πλεονέκτημα της χρήσης διηλεκτρικών υλικών με υψηλή ηλεκτρική διαπερατότητα είναι ότι εμποδίζει τις αγώγιμες πλάκες να έρχονται σε άμεση ηλεκτρική επαφή στην οποία αποθηκεύονται τα φορτία.

Όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα ενός πυκνωτή, τόσο περισσότερο ηλεκτρικό φορτίο μπορεί να αποθηκεύσει στη δεδομένη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού.

Καθώς αυξάνεται η ηλεκτρική διαπερατότητα του διηλεκτρικού υλικού, αυξάνεται και η χωρητικότητα του πυκνωτή. Αυτή η επίδραση των διηλεκτρικών χρησιμοποιείται για την αύξηση της χωρητικότητας των αγωγών.