Διηλεκτρική σταθερά

Η διηλεκτρική σταθερά ορίζεται ως ένα μέτρο της ικανότητας μιας ουσίας να αντιστέκεται στο σχηματισμό ηλεκτρικού πεδίου. Με απλά λόγια, χρησιμοποιείται συχνά για να περιγράψει την ικανότητα της ιδιότητας ή του υλικού να είναι μονωτής ή αγωγός. Κάθε μέρα, τα υλικά και οι ουσίες χρησιμοποιούνται συνήθως με διαφορετικές διηλεκτρικές σταθερές, ανάλογα με τη λειτουργία τους.

Μια διηλεκτρική σταθερά μπορεί επίσης να αναφέρεται σε μια άλλη ιδιότητα που περιγράφει μοριακές ιδιότητες που επιτρέπουν τη συσσωμάτωση ή συμπύκνωση χωρίς διακοπή από πολικά μόρια, όπως η κινητικότητα του νερού μέσα στους κρυστάλλους πάγου και η ικανότητά του να διαταράσσει ελάχιστα τις κρυσταλλικές δομές κατά τη διάρκεια των διαδικασιών κατάψυξης, όπου τα κοντινά μόρια έλκονται στον πάγο κρύσταλλοι αφού έχουν σχηματιστεί μέσω της διαδικασίας κατάψυξης που διαχέει τη θερμική ενέργεια με πολύ ταχύτερους ρυθμούς από ό,τι αν δεν υπήρχαν διηλεκτρικά μόρια.

Ορισμός της διηλεκτρικής σταθεράς

Η διηλεκτρική σταθερά είναι παρόμοια με την ηλεκτρική αγωγιμότητα, αλλά μετριέται σε μονάδες που ονομάζονται φαράντ ανά μέτρο αντί για ohms/μέτρο και είναι μια μέτρηση για την ικανότητα του υλικού να αντιστέκεται στη λειτουργία ηλεκτρικών πεδίων. Όσο υψηλότερη είναι η διηλεκτρική σταθερά ενός υλικού, τόσο περισσότερο μπορεί να αντισταθεί στο ηλεκτρικό πεδίο, επιτρέποντας σε ηλεκτρονικές συσκευές όπως κυκλώματα τρανζίστορ ή τροφοδοτικά να λειτουργούν με λιγότερη ενέργεια.

Σημασία της διηλεκτρικής σταθεράς

Η σημασία των διηλεκτρικών είναι η ικανότητα να βοηθούν στο δυναμικό τάσης συγκρατώντας τα ηλεκτρικά πεδία από τα εξαρτήματα του κυκλώματος. Η εφαρμογή ενός δυναμικού τάσης προκαλεί ένα ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο θα προκαλέσει τη ροή ρεύματος μέσα στο κύκλωμα. Εάν το διηλεκτρικό έχει υψηλή διηλεκτρική σταθερά, μπορεί να βοηθήσει στην ελαχιστοποίηση ή την αποτροπή της ροής ρεύματος εντός της πορείας και να προκαλέσει λιγότερη κατανάλωση ενέργειας. Επιπλέον, ένα υλικό με υψηλή διηλεκτρική σταθερά συμβάλλει στην αύξηση των τάσεων ηλεκτρικής διάσπασης και στη μείωση των ρευμάτων διαρροής εντός του κυκλώματος.

Η διηλεκτρική απώλεια είναι η ενέργεια που διαχέεται από τα υλικά (ηλεκτρικοί μονωτές). Αυτές οι απώλειες προκαλούνται όταν εναλλασσόμενο ρεύμα ρέει μέσα από έναν μονωτή – με αποτέλεσμα θερμικά αποτελέσματα, παρόμοια με τον ηλεκτρισμό τριβής στις αντιστάσεις.

Υλικά όπως το γυαλί, το πολυαιθυλένιο και το πολυπροπυλένιο έχουν υψηλότερες διηλεκτρικές απώλειες από τα υλικά με χαμηλότερες διηλεκτρικές σταθερές. Γενικά, όσο μεγαλύτερη είναι η διηλεκτρική σταθερά, τόσο μικρότερη είναι η διηλεκτρική απώλεια. Μερικά παραδείγματα υφασμάτων με χαμηλή διηλεκτρική σταθερά θα ήταν μη πολικά αέρια όπως το άζωτο με τιμή 1,0. Ταυτόχρονα, οι φθοριούχοι υδρογονάνθρακες και τα μόρια νερού μπορούν να προσφέρουν έκπτωση έως και 4,0. Και τα δύο υλικά είναι μη πολικά και διατηρούν ελάχιστο έως καθόλου φορτίο εντός ηλεκτρικών πεδίων.

Χαρακτηριστικά της διηλεκτρικής σταθεράς

• Μεταβλητότητα διηλεκτρικής σταθεράς

1. Τα διηλεκτρικά με υψηλή διηλεκτρική σταθερά είναι συχνά υλικά με χαμηλή διαπερατότητα. Η διαπερατότητα μετρά την ικανότητα ενός μονωτικού υλικού να αντιστέκεται στη λειτουργία ηλεκτρικών πεδίων και επιτρέπει σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα όπως τρανζίστορ, ημιαγωγοί, πυκνωτές και δίοδοι να λειτουργούν με λιγότερη ενέργεια.
2. Υλικά υψηλότερης διηλεκτρικής σταθεράς θα μεταφέρουν λιγότερο δυναμικό τάσης από τα υλικά με χαμηλότερα διηλεκτρικά, με υψηλότερες τάσεις ηλεκτρικής διάσπασης. Οι υψηλές τάσεις διάσπασης ηλεκτρικής ενέργειας σημαίνουν ότι παράγεται περισσότερη ισχύς κατά τη φόρτιση και εκφόρτιση των συστημάτων μπαταριών όταν χρησιμοποιούνται υγρά υψηλότερης διηλεκτρικής σταθεράς, επειδή το δυναμικό τάσης ρέει ευκολότερα μέσα στο εξάρτημα του κυκλώματος παρά όταν χρησιμοποιούνται λιγότερο πυκνά ρευστά.
3. Επιπλέον, υλικά με υψηλές διηλεκτρικές σταθερές, όπως τα μόρια του νερού που συγκρατούνται εντός της ψυκτικής μηχανής κρυογονικής ψύξης, παρουσιάζουν λιγότερες διηλεκτρικές απώλειες που προκαλούν πίεση στα εξαρτήματα του συστήματος.

• Υλικά που χρησιμοποιούνται στα διηλεκτρικά:

1. Όταν χρησιμοποιούνται διηλεκτρικά στα ηλεκτρονικά, προτιμώνται ρευστά υψηλού και χαμηλότερου μοριακού βάρους με διαφορετικές μοριακές διαστάσεις.
2. Υπάρχουν διάφορες ενώσεις διαθέσιμες για την παραγωγή διαφορετικών διηλεκτρικών σταθερών ανάλογα με τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Μείγματα ενώσεων μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν όπου χρειάζεται. Τα τυχαία διατεταγμένα στρώματα εναλλασσόμενων υλικών μπορούν να επιτρέψουν σε άλλες ιδιότητες υλικού να προσκολληθούν σε κάθε στρώμα για να αυξήσουν τις συνολικές διηλεκτρικές σταθερές ή να μειώσουν το ρεύμα διαρροής στα εξαρτήματα του κυκλώματος. Τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα υλικά είναι μη πολικά, όπως μόρια νερού, καουτσούκ και γυαλί. Το γυαλί μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως διηλεκτρικό λόγω της άκαμπτης δομής του, η οποία αντιστέκεται στο ρεύμα διαρροής και στην ηλεκτροστατική διάσπαση ενώ διατηρεί την ηλεκτρική αγωγιμότητα.
3. Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο μη πολικό υγρό είναι το νερό - έχει διηλεκτρική σταθερά 1,0.

• Η σημασία της αγωγιμότητας:

1. Η σημασία της αγωγιμότητας ενός υλικού είναι η ικανότητα να επιτρέπει στα δυναμικά τάσης να ρέουν μέσα στα κυκλώματα και να διαχέουν ενέργεια, βοηθώντας στη βελτίωση της συνολικής απόδοσης συσκευών με υψηλότερες ηλεκτρικές τάσεις διάσπασης.
2. Η επίδρασή του στην ικανότητα διάχυσης ενέργειας αυξάνεται καθώς το διηλεκτρικό γίνεται λιγότερο πυκνό. Το νερό και το γυαλί είναι εξαιρετικές επιλογές για διηλεκτρικά λόγω της χαμηλής μοριακής τους πυκνότητας.
3. Το γυαλί έχει μοριακή πυκνότητα 1,7, που σημαίνει ότι έχει υψηλότερη αγωγιμότητα από άλλα υλικά με πολύ χαμηλότερες μοριακές πυκνότητες, ενώ διατηρεί υψηλές τάσεις ηλεκτρικής διάσπασης που έχουν ως αποτέλεσμα μειωμένη κατανάλωση ενέργειας κατά τις διαδικασίες φόρτισης ηλεκτρικής ενέργειας.
4.  Η εφαρμογή του δυναμικού τάσης προκαλεί ένα ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο θα προκαλέσει τη ροή ρεύματος εντός της συνιστώσας του κυκλώματος με βάση την απόσταση από τα φορτία πηγής και τα δυναμικά ιονισμού των ιόντων εντός της ροής του ρευστού, κάτι που είναι σημαντικό επειδή καθορίζει τον τρόπο αλληλεπίδρασης των μορίων του υγρού με τις δυνάμεις του ηλεκτρικού πεδίου.

Συμπέρασμα

Η πυκνότητα, η διαπερατότητα και η αγωγιμότητα επηρεάζουν σημαντικά τη συνολική ενεργειακή απόδοση οποιουδήποτε δεδομένου εξαρτήματος κυκλώματος. Οι υψηλότερες διηλεκτρικές σταθερές τείνουν να μεταφέρουν λιγότερο δυναμικό τάσης και είναι χαμηλότερες σε μοριακή πυκνότητα από τα υλικά με χαμηλότερα διηλεκτρικά. Τα υλικά με χαμηλή μοριακή πυκνότητα διαχέουν λιγότερη ενέργεια ως θερμότητα κατά την εκφόρτιση του δυναμικού και παρέχουν υψηλότερες τάσεις διάσπασης.

Τα υλικά χαμηλότερης μοριακής πυκνότητας, όπως τα μόρια νερού, το καουτσούκ και το γυαλί, είναι εξαιρετικά για εφαρμογή σε κυκλώματα λόγω της υψηλής αγωγιμότητας, της χαμηλής μοριακής πυκνότητας και των ηλεκτρικών τάσεων διάσπασης που επιτρέπουν την παραγωγή χαμηλότερης κατανάλωσης ενέργειας κατά τις διαδικασίες φόρτισης.