Izolator electric

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Condensator umplut cu un izolator dielectric: sarcinile negative ale materialului sunt deplasate pe placa încărcată pozitiv din stânga. Acest lucru creează un câmp electric orientat spre stânga, care anulează parțial cel creat de armături. (Intervalul gol este afișat pentru claritate; un condensator real este complet umplut de izolator)

Un izolator electric este un material care nu poate conduce curentul electric . Deoarece un câmp electric este capabil să polarizeze materialul, adică generează deplasarea sarcinilor, electronilor și nucleelor moleculelor din poziția lor de echilibru, formând dipoli electrici microscopici care generează un câmp suplimentar în interiorul materialului opus una externă, manifestând o proprietate numită dielectricitate .

Termenii izolator și dielectric sunt utilizați în mod obișnuit interschimbabil, totuși cei doi termeni exprimă două concepte profund diferite: de fapt primul indică imposibilitatea materialului de a conduce curent electric, în timp ce al doilea indică faptul că materialul este polarizat în opoziție cu câmpul electric extern.

conductori și izolație

Acestea sunt materiale, lipsite de sarcini libere, care au o bandă de energie interzisă foarte largă și câmpul electric extern nu furnizează suficientă energie pentru a permite electronilor să ajungă la banda de conducere. Prin urmare, rămâne goală și gestionarea este imposibilă.

Izolatorii sunt substanțe de diferite tipuri a căror conductivitate electrică este în general extrem de scăzută, până la punctul în care, în unele cazuri, practic nu se poate presupune nimic. Dimpotrivă, materialele în care nu apar efecte de polarizare sunt conductoare caracterizate de o rezistivitate electrică mică. Izolatorii se disting de semiconductori , care au diferența de energie între cele două benzi de 1-4 eV care poate fi atinsă pentru mulți electroni din material (vezi statisticile Boltzmann ) cu doar energia termică prezentă la temperatura camerei .

Calculul polarizării în materiale

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: polarizarea electrică și permitivitatea electrică .

Prezența acestui câmp intern este luată în considerare în ecuațiile lui Maxwell prin definirea vectorului de polarizare electrică și a câmpului de inducție electrică . Polarizarea unui material dielectric este, de asemenea, cuantificată de permitivitatea electrică .

Majoritatea materialelor izolante pot fi tratate ca un dielectric liniar omogen și izotrop; aceasta înseamnă că există o relație liniară între dipolul indus în material și câmpul electric extern. Aceasta este o aproximare larg utilizată și, în acest caz, câmpurile Și sunt echivalente cu mai puțin decât un factor de scară: [1]

Numarul este o constantă numită permitivitate electrică a vidului care este:

unde este este viteza luminii în vid e este permeabilitatea magnetică în vid.

Numarul (elementul unui tensor) este permitivitatea electrică relativă, în timp ce este susceptibilitatea electrică a mediului, care este definită ca constanta de proporționalitate între câmp și vectorul de polarizare consecvent .

În consecință, avem:

Prin urmare, sensibilitatea este legată de permisivitatea relativă prin relație:

(care în vid devine ), și este legată de polarizabilitatea particulelor individuale prin ecuația Clausius-Mossotti .

În domeniul frecvenței, pentru un mediu liniar și independent de timp există relația:

unde este este frecvența câmpului. Vectorul de polarizare pentru un mediu neliniar, nici omogen, nici izotrop, la rândul său, depinde de câmpul din tensorul de polarizare.

Dispersie și cauzalitate

Polarizarea unui material ca răspuns la un câmp electric nu este instantanee și, prin urmare, definiția mai generală a vectorului de polarizare ca funcție dependentă de timp este următoarea:

Cu alte cuvinte, polarizarea este convoluția câmpului electric în perioade anterioare cu susceptibilitate dependentă de timp . Limita superioară a acestei integrale poate fi extinsă la infinit definind:

Prin urmare, principiul cauzalității este respectat, deoarece polarizarea depinde de câmp doar în perioade anterioare și acest fapt impune relațiile Kramers-Kronig pentru funcția .

Un răspuns instant corespunde matematic deltei Dirac :

Într-un sistem liniar este convenabil să se ia în considerare transformata Fourier și să se scrie relația anterioară în domeniul frecvenței, în care pentru teorema convoluției produsul de convoluție a două funcții este exprimat cu produsul simplu al transformatelor respective:

Dependența de frecvență a susceptibilității determină dependența de frecvență a permitivității, iar tendința susceptibilității față de frecvență caracterizează proprietățile dispersive ale materialului.

Aplicații

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Condensator (electrotehnică) .

Structura atomică a dielectricilor face ca rezistența lor dielectrică să fie relativ mare și, prin urmare, utilizarea lor în condensatori este interesantă. De fapt, sub acțiunea unui câmp electric suficient de intens, multe materiale izolante în mod normal pot fi supuse ionizării și pot deveni temporar conductori , putând, de asemenea, să sufere ruperea (o descărcare bruscă care poate apărea între plăcile condensatorului). Deoarece energia datorată câmpului electric dintr-un condensator este , unde este este biroul considerat e este tensiunea dintre cele două plăci, condensatorii cu dielectrici, fiind capabili să funcționeze în prezența câmpurilor electrice intense, pot tolera în consecință tensiuni mai mari decât aerul sau vidul, îmbunătățind performanța condensatorului în sine.

Punând dielectric într-un condensator capacitatea dintre acestea din urmă este crescută cu un factor , care este constanta dielectrică relativă tipică dielectricului considerat:

unde este este constanta dielectrică a vidului , zona de armare e distanța dintre armăturile în sine. Acest lucru se întâmplă deoarece câmpul electric polarizează moleculele dielectricului, producând alinieri de sarcini apropiate de armături care creează un câmp electric opus (antiparalel) la cel deja prezent în condensator.

Din alt punct de vedere, se poate spune că, cu un dielectric în interiorul unui condensator, pe măsură ce câmpul electric din acesta crește, cantitatea de încărcare stocată crește:

Crescând și lăsând neschimbată , trebuie să crească.

Notă

  1. ^ Mencuccini, Silvestrini , pagina 143 .

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tesauro BNCF 15917 · LCCN (EN) sh85037791 · GND (DE) 4149716-8 · BNF (FR) cb135767844 (dată) · NDL (EN, JA) 00.574.419