Dielektryk
Z Wikipedii
Dielektryk, inaczej: izolator elektryczny - substancja, materiał, w którym występuje niska koncentracja ładunków swobodnych w wyniku czego bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny. Oporność właściwa dielektryków jest większa od 106 Ω · m (dla dobrych przewodników, np. metali, wynosi 10−8–10−6 Ω · m).
Spis treści |
[edytuj] Dielektryk w polu elektrycznym
W dielektrykach ładunki związane mogą w pewnym zakresie przemieszczać się. Rodzaj i skala tych przemieszczeń decydują o własnościach elektrycznych dielektryka. Jeżeli w polu elektrycznym (elektrostatycznym) znajdzie się przewodnik, (w którym nie płynie prąd elektryczny), to ładunki swobodne przesuną się tak, że wewnątrz ciała nie będzie pola elektrycznego. W dielektryku ładunki nie mogą się swobodnie przesuwać, ale może dojść do przesunięcia się ładunków elektrycznych dodatnich względem ujemnych (powstaną dipole elektryczne). Zjawisko to nazywamy polaryzacją dielektryka. Makroskopowo postrzegamy to zjawisko jako gromadzenie się ładunków na powierzchni dielektryka (obojętnego jako całość), ładunki te zmniejszają pole elektryczne w dielektryku w stosunku do zewnętrznego pola elektrycznego (wektor E), co można opisać jako występowanie w dielektryku dodatkowego pola elektrycznego (wektor D) zwanego polem indukcji elektrycznej.
Jeżeli dielektryk jest izotropowy, to wektory E i D mają ten sam kierunek i dla wielu substancji przy niezbyt dużym polu elektrycznym i przy niezbyt dużych częstotliwościach zmian pola (E) indukowane pole (D) jest proporcjonalne do pola zewnętrznego, współczynnik proporcjonalności (ε) jest nazywany przenikalnością elektryczną substancji i jest wielkością charakterystyczną dla danej substancji.
W praktyce nie istnieją idealne dielektryki, te rzeczywiste charakteryzują się rezystancjami rzędu GΩ (gigaom). W wyniku tego w każdym dielektryku występują tzw. straty dielektryczne, co z kolei powoduje np. straty mocy podczas przesyłu energii elektrycznej liniami wysokiego napięcia, gdzie głównym dielektrykiem jest powietrze.
Dodatkowym problemem jest to, że dla każdego rzeczywistego dielektryka istnieje pewne napięcie przebicia, powyżej którego przez dielektryk płynie prąd - dla dielektryków stałych (tzn. niegazowych i niepłynnych), oznacza to trwałe uszkodzenie ich własności izolacyjnych.
[edytuj] Mikroskopowe (fizyczne) definicje dielektryka
Ze względu na to, że przewodnictwo materiałów zmienia się w sposób ciągły nie istnieje jedna granica wartości przewodnictwa poniżej której wszystkie materiały byłyby dielektrykami. Stosowane są różne definicje izolatora bazujące na mikroskopowym mechanizmie przewodnictwa. Przykładowo:
- dielektrykiem określa się substancje, dla których poziom Fermiego leży pomiędzy pasmami walencyjnym i przewodzenia (pasmowa teoria przewodnictwa).
- dielektrykiem określa się substancję, dla której przewodnictwo rośnie wraz z temperaturą, w przeciwieństwie do metalu, gdzie przewodnictwo maleje ze wzrostem temperatury.
W tym kontekście często półprzewodniki kategoryzowane są jako izolatory.
[edytuj] Efekty fizyczne
Niektóre dielektryki ze względu na złożoną zależność polaryzacji od przyłożonego pola i innych parametrów układu wykazują liczne efekty fizyczne, które można wykorzystać w bardzo różnorodny sposób. Jeśli dielektryk nie ma symetri inwersji to może wykazywać efekt piezoelektryczny. Efekt piezoelektryczny polega na występowaniu zależności między naprężeniami i polaryzacją dielektryka. Biorąc pod uwagę prawo Hooke'a można te zależności przenieść na odkształcenie ośrodka. Można więc użyć przetwornika piezoelektrycznego do pomiaru naprężeń, lub małych przemieszczeń. Jeśli przyczepi się do przetwornika znaną masę to można użyć go do pomiaru przyśpieszeń. Można też stosując efekt piezoelektryczny odwrotny uzyskać małe przesunięcia przykładając do dielektryka pole. Jest to podstawą na przykład mikroskopii bliskich oddziaływań. Mimo że przesunięcia nie są duże, to uzyskane siły są znaczne. Umożliwia to przestrajanie nawet ciężkich elementów optycznych z dużą dokładnością.
Jeśli ośrodek nie ma symetrii inwersji, i w dodatku wykazuje spontaniczną polaryzację może wystąpić w nim efekt piroelektryczny. Efekt piroelektryczny polega na powstaniu polaryzacji wskutek zmiany temperatury kryształu. Umożliwia to między innymi obrazowanie w dalekiej podczerwieni, jest to również efekt używany w pasywnych czujnikach ruchu.
Kolejnym znaczącym efektem jest efekt elektrooptyczny. Polega on na występowaniu wymuszonej przyłożonym polem elektrycznym dwójłomności. Prowadzi to do obrotu płaszczyzny polaryzacji przechodzącego przez ośrodek światła, przy czym kąt obrotu zależy od przyłożonego pola. Dielektryk taki w połączeniu z polaryzatorem może służyć do modulacji wiązki z dużą szybkością. Jeśli zamiast polaryzatora wprowadzi się polaryzującą płytkę światłodzielącą można polem elektrycznym sterować kierunkiem wiązki. Znajduje to zastosowanie na przykład we wzmacniaczach optycznych dla laserów femtosekundowych.
Występuje też w dielektrykach cała gama efektów nieliniowych które mają bardzo szerokie zastosowania w spektroskopii laserowej, na przykład do uzyskania promieniowania o innych długościach fali czy też poszerzenia widma.
[edytuj] Zastosowania w technice
Materiały elektroizolacyjne stosowane w technice to:
- szkło,
- porcelana,
- guma, ale nie każdy rodzaj, istnieją mieszanki gumy przewodzące
- tworzywa sztuczne, polipropylen, polichlorek winylu
- drewno, ale suche, wilgoć obniża własności izolacyjne
- olej transformatorowy, polichlorowane bifenyle, nafta
- powietrze, ale suche, wilgoć obniża własności izolacyjne
- próżnia,
- sześciofluorek siarki,
- elektret
Ciekawostką jest, że czysta chemicznie, tzn. wolna od soli mineralnych i bakterii woda też jest dobrym izolatorem.
Najistotniejszymi parametrami technicznymi charakteryzującymi izolatory elektryczne są:
- napięcie przebicia - zwane czasem wytrzymałością elektryczną
- prąd upływu
- współczynnik strat dielektrycznych
