מה הקבוע הדיאלקטרי? - גוּפָנִי - 2025

קבוע דיאלקטרי הוא ערך הקשורים החומר שמונח בין הלוחות של קבל (או קבלים - איור 1) ו המאפשר אופטימיזציה והגדלת הפונקציה שלה. (ג'יאנקולי, 2006). דיאלקטרי הוא שם נרדף לבידוד חשמלי, כלומר מדובר בחומרים שאינם מאפשרים מעבר של זרם חשמלי.

ערך זה חשוב מהיבטים רבים, שכן מקובל שכולם משתמשים בציוד חשמלי ואלקטרוני בבתים שלנו, בחללי הפנאי, בתחומי החינוך או בתחנות העבודה, אך אין ספק שאנחנו לא מודעים לתהליכים המסובכים שמתרחשים בציוד זה בכדי להיות מסוגלים לתפקד.

איור 1: סוגים שונים של קבלים.

לדוגמה, רכיבי המיני-קומפלקס, הטלוויזיות והתקני המולטימדיה שלנו משתמשים בזרם ישר עבור הפונקציות שלהם, אך הזרמים הביתיים והתעשייתיים המגיעים לבתים ולמקומות העבודה שלנו הם זרמים מתחלפים. איך זה אפשרי?.

איור 2: מעגל חשמלי של ציוד ביתי

התשובה לשאלה זו היא בתוך אותו ציוד חשמלי ואלקטרוני: קבלים (או קבלים). רכיבים אלה מאפשרים, בין היתר, לאפשר תיקון של זרם חילופין לזרם ישיר ופונקציונליות שלהם תלויה בגיאומטריה או בצורת הקבל ובחומר הדיאלקטרי הקיים בתכנונו.

חומרים דיאלקטריים ממלאים תפקיד חשוב, מכיוון שהם מאפשרים לקרב את הצלחות המרכיבות את הקבל קרוב מאוד, מבלי לגעת, וכיסוי מוחלט של הרווח בין הצלחות האמורות בחומר דיאלקטרי כדי להגדיל את הפונקציונליות של הקבלים.

מקורו של הקבוע הדיאלקטרי: קבלים וחומרים דיאלקטריים

הערך של קבוע זה הוא תוצאה ניסיונית, כלומר היא מגיעה מהניסויים שבוצעו בסוגים שונים של חומרי בידוד וכתוצאה מכך אותה תופעה: פונקציונליות מוגברת או יעילות של קבל.

קבלים קשורים לכמות פיזית הנקראת קיבול "C", המגדירה את כמות המטען החשמלי "Q" שקבל יכול לאחסן על ידי אספקת הבדל פוטנציאלי מסוים "∆V" (משוואה 1).

(משוואה 1)

הניסויים הגיעו למסקנה כי על ידי כיסוי מוחלט של החלל בין לוחות קבלים עם חומר דיאלקטרי, הקבלים מגדילים את הקיבול שלהם על ידי גורם κ, המכונה "הקבוע הדיאלקטרי". (משוואה 2).

(משוואה 2)

באיור 3 מוצג איור של קיבול צלחת מקבילית של צלחת מקבילה טעונה וכתוצאה מכך בשדה חשמלי אחיד המופנה כלפי מטה בין צלחותיו.

בחלקו העליון של הדמות נמצא הקבל עם ואקום בין צלחותיו (ואקום - permittivity ∊0). ואז, בתחתית, מוצג אותו קבל עם קיבול C '> C, עם דיאלקטרי בין צלחותיו (של מתן ∊).

איור 3: קבלים לפלטה מקבילית בתכנון ללא דיאלקטרי ועם דיאלקטרי.

Figueroa (2005) מונה שלוש פונקציות לחומרים דיאלקטריים בקבלים:

1. הם מאפשרים קונסטרוקציה קשיחה וקומפקטית עם פער קטן בין הלוחות המוליכים.
2. הם מאפשרים להחיל מתח גבוה יותר מבלי לגרום לפריקה (השדה החשמלי המתמוטט גדול יותר מזה של אוויר)
3. מגדיל את הקיבול של הקבל על ידי גורם κ המכונה הקבוע הדיאלקטרי של החומר.

לפיכך, המחבר מציין כי, κ "נקרא הקבוע הדיאלקטרי של החומר ומודד את התגובה של הדיפולולים המולקולריים שלו לשדה מגנטי חיצוני". כלומר הקבוע הדיאלקטרי גבוה יותר ככל שהקוטביות של מולקולות החומר גבוהה יותר.

מודלים אטומיים של דיאלקטריקה

באופן כללי, לחומרים יש סידורים מולקולריים ספציפיים התלויים במולקולות עצמן ובאלמנטים המרכיבים אותם בכל חומר. בין הסדרים המולקולריים שמתערבים בתהליכים דיאלקטריים הוא זה של מה שמכונה "מולקולות קוטביות" או מקוטב.

במולקולות קוטביות יש הפרדה בין המיקום האמצעי של המטענים השליליים למיקום האמצעי של המטענים החיוביים, וגורם להם לקטבים חשמליים.

לדוגמא, מולקולת המים (איור 4) מקוטבת לצמיתות מכיוון שמרכז חלוקת המטען החיובי נמצא באמצע הדרך בין אטומי המימן. (סרווי וג'ואט, 2005).

איור 4: התפלגות מולקולת המים.

בעוד במולקולת BeH2 (בריליום הידריד - איור 5), מולקולה ליניארית, אין קיטוב, מכיוון שמרכז התפלגות המטענים החיוביים (הידרוגנים) נמצא במרכז התפלגות המטענים השליליים (הבריליום) , מבטל כל קיטוב שעשוי להתקיים. זו מולקולה לא קוטבית.

איור 5: התפלגות מולקולת בריליום הידריד.

באותה וריד, כאשר חומר דיאלקטרי נמצא בנוכחות שדה חשמלי E, המולקולות יתיישרו כפונקציה של השדה החשמלי ויגרמו לצפיפות טעינה של פני השטח על פני החלקים הדיאלקטריים הפונים אל צלחות הקבל.

בשל תופעה זו, השדה החשמלי בתוך הדיאלקטרי הוא פחות מהשדה החשמלי החיצוני שנוצר על ידי הקבל. האיור הבא (איור 6) מציג דיאלקטרי מקוטב חשמלית בתוך קבל צלחת מישורית מקבילה.

חשוב לציין כי תופעה זו מתבטאת ביתר קלות בחומרים קוטביים מאשר בחומרים שאינם קוטביים, בשל קיומם של מולקולות מקוטבות שמתקיימות אינטראקציה יעילה יותר בנוכחות השדה החשמלי. אם כי עצם נוכחותו של השדה החשמלי גורמת לקיטוב של מולקולות לא קוטביות, וכתוצאה מכך אותה תופעה כמו בחומרים קוטביים.

איור 6: מודלים של המולקולות הקוטביות של דיאלקטרי כתוצאה מהשדה החשמלי מקורם בקבל הטעון.

ערכים קבועים דיאלקטריים בחומרים מסוימים

תלוי בפונקציונליות, בחסכון ובשימוש האולטימטיבי של הקבלים, חומרי בידוד שונים משמשים למיטוב הביצועים שלהם.

חומרים כמו נייר הם מאוד לא יקרים, למרות שהם יכולים להיכשל בטמפרטורות גבוהות או במגע עם מים. אמנם גומי, הוא עדיין נישא אך עמיד יותר. יש לנו גם פורצלן שמתנגד לטמפרטורות גבוהות למרות שהוא לא יכול להסתגל לצורות שונות לפי הצורך.

להלן טבלה שבה מצוין הקבוע הדיאלקטרי של חומרים מסוימים, כאשר לקבועים הדיאלקטריים אין יחידות (הם חסרי ממדים):

טבלה 1: קבועים דיאלקטריים של חומרים מסוימים בטמפרטורת החדר.

כמה יישומים של חומרים דיאלקטריים

חומרים דיאלקטריים חשובים בחברה העולמית עם מגוון רחב של יישומים, החל מתקשורת יבשתית ולוויינית כולל תוכנת רדיו, GPS, ניטור סביבתי דרך לוויינים, ועוד. (סבסטיאן, 2010)

יתר על כן, Fiedziuszko ואחרים (2002) מתארים את חשיבותם של חומרים דיאלקטריים לפיתוח טכנולוגיה אלחוטית, כולל עבור הטלפוניה הסלולרית. בפרסום שלהם הם מתארים את הרלוונטיות של חומרים מסוג זה במזעור ציוד.

לפי סדר רעיונות זה, המודרניות יצרה ביקוש רב לחומרים עם קבועים דיאלקטריים גבוהים ונמוכים לפיתוח חיים טכנולוגיים. חומרים אלה הם רכיבים חיוניים למכשירי אינטרנט מבחינת פונקציות אחסון נתונים, תקשורת וביצועי שידורי נתונים. (Nalwa, 1999).

הפניות

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). חומרים, מכשירים ומעגלים דיאלקטריים. עסקאות IEEE על תיאוריה וטכניקות מיקרוגל, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). אינטראקציה חשמלית. קראקס, ונצואלה: מיגל אנג'ל גרסיה ובנו, סרל.
3. ג'יאנקולי, ד '(2006). גוּפָנִי. החל מאפליקציות. מקסיקו: PEARSON חינוך.
4. נאלווה, HS (עורכת). (1999). ספר יד של חומרים קבועים דיאלקטריים נמוכים וגבוהים ויישומיהם, סט שני נפחים. אלזביאר.
5. סבסטיאן, מ.ט. (2010). חומרים דיאלקטריים לתקשורת אלחוטית. אלזביאר.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). פיסיקה למדע והנדסה. מקסיקו: תומסון עורך בינלאומי.