Diskussion
Die Grundidee
Dielektrika sind Isolatoren, schlicht und einfach. Die beiden Wörter beziehen sich auf dieselbe Klasse von Materialien, sind aber unterschiedlichen Ursprungs und werden bevorzugt in unterschiedlichen Zusammenhängen verwendet.
- Da sich Ladungen in nichtmetallischen Festkörpern nicht so leicht bewegen, ist es möglich, „Inseln“ von Ladungen in Glas, Keramik und Kunststoffen zu haben. Das lateinische Wort für Insel ist insula, daher kommt auch das Wort Isolator. Im Gegensatz dazu neigen Ladungen in metallischen Festkörpern dazu, sich leicht zu bewegen – als ob jemand oder etwas sie führen würde. Die lateinische Vorsilbe con oder com bedeutet „mit“. Eine Person, mit der man Brot isst, ist ein Gefährte. (Das lateinische Wort für Brot ist panis.) Etwas mit auf die Straße zu nehmen heißt, es zu transportieren. (Das lateinische Wort für Straße ist via.) Die Person, mit der man reist, die den Weg weist oder für sicheren Durchgang sorgt, ist ein Schaffner. (Das lateinische Wort für Leiter ist ductor.) Ein Material, das einen sicheren Durchgang für elektrische Ladungen bietet, ist ein Leiter.
- Das Einfügen einer Schicht aus nichtmetallischem Feststoff zwischen die Platten eines Kondensators erhöht seine Kapazität. Die griechische Vorsilbe di oder dia bedeutet „quer“. Eine Linie durch die Winkel eines Rechtecks ist eine Diagonale. (Das griechische Wort für Winkel ist gonia – γωνία.) Das Maß quer zu einem Kreis ist ein Durchmesser. (Das griechische Wort für Maß ist metron – μέτρον.) Das Material, das wie eine kleine nichtleitende Brücke über die Platten eines Kondensators gelegt wird, ist ein Dielektrikum.
Die Kunststoffbeschichtung auf einem elektrischen Kabel ist ein Isolator. Die Glas- oder Keramikplatten, die verwendet werden, um Stromleitungen zu stützen und zu verhindern, dass sie einen Kurzschluss zur Erde haben, sind Isolatoren. So ziemlich jedes Mal, wenn ein nichtmetallischer Feststoff in einem elektrischen Gerät verwendet wird, nennt man ihn einen Isolator. Das einzige Mal, dass das Wort Dielektrikum verwendet wird, ist vielleicht in Bezug auf die nichtleitende Schicht eines Kondensators.
Dielektrika in Kondensatoren dienen drei Zwecken:
- um zu verhindern, dass sich die leitenden Platten berühren, was kleinere Plattenabstände und damit höhere Kapazitäten ermöglicht;
- um die effektive Kapazität zu erhöhen, indem die elektrische Feldstärke reduziert wird, was bedeutet, dass man die gleiche Ladung bei einer niedrigeren Spannung erhält; und
- um die Möglichkeit eines Kurzschlusses durch Funkenbildung (formeller bekannt als dielektrischer Durchbruch) während des Betriebs bei hoher Spannung zu reduzieren.
Was geht hier vor
Wenn ein Metall in ein elektrisches Feld gebracht wird, fließen die freien Elektronen gegen das Feld, bis ihnen das leitende Material ausgeht. In kürzester Zeit haben wir auf der einen Seite einen Elektronenüberschuss und auf der anderen Seite ein Defizit. Eine Seite des Leiters ist negativ und die andere positiv aufgeladen. Lösen Sie das Feld auf und die Elektronen auf der negativ geladenen Seite befinden sich nun zu nahe beieinander. Gleiche Ladungen stoßen sich ab und die Elektronen laufen so schnell sie können voneinander weg, bis sie gleichmäßig verteilt sind; im Durchschnitt ein Elektron für jedes Proton im Raum um jedes Atom. Ein leitendes Elektron in einem Metall ist wie ein rasender Hund, der auf einer Weide eingezäunt ist. Sie können sich frei bewegen und nach Lust und Laune die gesamte Länge, Breite und Tiefe des Metalls durchlaufen.
Für ein Elektron in einem Isolator ist das Leben wesentlich eingeschränkter. Per Definition können sich Ladungen in einem Isolator nicht frei bewegen. Das ist nicht dasselbe, wie zu sagen, dass sie sich nicht bewegen können. Ein Elektron in einem Isolator ist wie ein Wachhund an einen Baum gebunden – frei zu bewegen, aber innerhalb von Grenzen. Platzieren Sie die Elektronen eines Isolators in der Gegenwart eines elektrischen Feldes ist wie die Platzierung eines gebundenen Hundes in der Gegenwart eines Postboten. Die Elektronen werden gegen das Feld so weit wie sie können in der gleichen Weise, dass unsere hypothetische Hund wird gegen seine Leine so weit wie es geht zu ziehen. Elektronen auf der atomaren Skala sind jedoch eher wolkenartig als hundeartig. Das Elektron ist effektiv über das gesamte Volumen eines Atoms verteilt und nicht an einem bestimmten Ort konzentriert. Ein guter atomarer Hund würde nicht Spot heißen, nehme ich an.
Wenn die Atome oder Moleküle eines Dielektrikums in ein äußeres elektrisches Feld gebracht werden, werden die Kerne mit dem Feld geschoben, was zu einer erhöhten positiven Ladung auf der einen Seite führt, während die Elektronenwolken dagegen gezogen werden, was zu einer erhöhten negativen Ladung auf der anderen Seite führt. Dieser Vorgang wird als Polarisation bezeichnet und ein dielektrisches Material in einem solchen Zustand wird als polarisiert bezeichnet. Es gibt zwei Hauptmethoden, mit denen ein Dielektrikum polarisiert werden kann: Dehnung und Rotation.
Die Dehnung eines Atoms oder Moleküls führt zu einem induzierten Dipolmoment, das jedem Atom oder Molekül hinzugefügt wird.
Rotation tritt nur bei polaren Molekülen auf – solchen mit einem permanenten Dipolmoment wie dem Wassermolekül, das in der Abbildung unten gezeigt wird.
Polare Moleküle polarisieren im Allgemeinen stärker als unpolare Moleküle. Wasser (ein polares Molekül) hat eine 80-mal höhere Durchschlagfestigkeit als Stickstoff (ein unpolares Molekül, das der Hauptbestandteil der Luft ist). Dies geschieht aus zwei Gründen – von denen einer normalerweise trivial ist. Erstens dehnen sich alle Moleküle in einem elektrischen Feld, ob sie nun rotieren oder nicht. Unpolare Moleküle und Atome dehnen sich, während polare Moleküle sich dehnen und rotieren. Diese Kombination von Aktionen hat jedoch nur eine winzige Auswirkung auf den Gesamtgrad, mit dem eine Substanz polarisiert wird. Wichtiger ist, dass polare Moleküle bereits stark gestreckt sind – von Natur aus. Die Art und Weise, wie sich die Wasserstoffatome auf die Arme der Elektronenwolken eines Sauerstoffatoms setzen, verzerrt das Molekül zu einem Dipol. All dies findet auf interatomarer oder molekularer Skala statt. Bei solch winzigen Abständen ist die Stärke des elektrischen Feldes relativ groß für eine ansonsten unscheinbare Spannung (zum Beispiel 13,6 V für ein Elektron in einem Wasserstoffatom).
Streckung und Rotation sind nicht das Ende der Fahnenstange, wenn es um Polarisation geht. Sie sind nur die Methoden, die für den zufälligen Beobachter am einfachsten zu beschreiben sind. Im Allgemeinen ist die Polarisation eines dielektrischen Materials eine mikroskopische elektrostatische Dehnung als Reaktion auf eine makroskopische elektrostatische Spannung. Ein äußeres Feld, das an ein Dielektrikum angelegt wird, kann die Ladungen nicht makroskopisch bewegen, aber es kann sie mikroskopisch dehnen und verzerren. Es kann sie in unangenehme Positionen drücken und sie nach dem Loslassen wieder in einen entspannten Zustand zurückfallen lassen. Was die Polarisierung in einem Isolator von der Dehnung eines elastischen Körpers wie einer Feder unterscheidet, ist, dass die Beseitigung der Spannung nicht notwendigerweise die Dehnung aufhebt. Manche Isolatoren bleiben über Stunden, Tage, Jahre oder sogar Jahrhunderte in ihrem polarisierten Zustand. Die längsten charakteristischen Zeiten müssen aus unvollständigen Beobachtungen auf eine vernünftigere Dauer extrapoliert werden. Niemand wird sich hinsetzen und zweitausend Jahre warten, um zu sehen, wie die Polarisation eines Stücks Kunststoff auf Null zurückgeht. Es ist das Warten nicht wert.
Schließlich ist es wichtig zu bedenken, dass die Ladungen, die in einer dielektrischen Schicht „gespeichert“ sind, nicht als ein Pool freier Ladungen zur Verfügung stehen. Um sie zu extrahieren, braucht man immer noch Metallplatten. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass der einzige Grund, warum sich jemand für dieses Phänomen zu interessieren scheint, der ist, dass es uns hilft, bessere Kondensatoren zu bauen. Ich denke, das ist der Punkt, an dem diese Diskussion enden sollte.
Kondensatoren mit Dielektrika
Legen Sie eine dielektrische Schicht zwischen zwei parallel geladene Metallplatten mit einem elektrischen Feld, das von rechts nach links zeigt. (Warum nicht von links nach rechts? Nun, ich lese von rechts nach links, also macht es die Diagramme für mich einfacher zu „lesen“.) Die positiven Kerne des Dielektrikums bewegen sich mit dem Feld nach rechts und die negativen Elektronen bewegen sich gegen das Feld nach links. Feldlinien beginnen an positiven Ladungen und enden an negativen Ladungen, so dass das elektrische Feld innerhalb jedes betonten Atoms oder Moleküls des Dielektrikums in unserem Diagramm von links nach rechts zeigt – entgegengesetzt zum äußeren Feld der beiden Metallplatten. Das elektrische Feld ist eine Vektorgröße, und wenn zwei Vektoren in entgegengesetzte Richtungen zeigen, subtrahiert man ihre Beträge, um die Resultante zu erhalten. Die beiden Felder heben sich in einem Dielektrikum nicht ganz auf, wie sie es in einem Metall tun würden, also ist das Gesamtergebnis ein schwächeres elektrisches Feld zwischen den beiden Platten.
Vergrößern
Lassen Sie mich das wiederholen – das Gesamtergebnis ist ein schwächeres elektrisches Feld zwischen den beiden Platten. Lassen Sie uns ein wenig rechnen.
Das elektrische Feld ist der Gradient des elektrischen Potentials (besser bekannt als Spannung).
| Ex = – | ∆V | ||
| ∆x | |||
| Ey = – | ∆V | ⇒ | E = – ∇V |
| ∆y | |||
| Ez = – | ∆V | ||
| ∆z |
Kapazität ist das Verhältnis von Ladung zu Spannung.
| C = | Q |
| V |
Wenn man ein Dielektrikum in einen Kondensator einführt, verringert sich das elektrische Feld, wodurch sich die Spannung verringert, was die Kapazität erhöht.
| C ∝ | 1 | (Q-Konstante) | ⇒ | C ∝ | (d, Q konstant) | ||
| V | 1 | ||||||
| V ∝ E (d konstant) | E | ||||||
Ein Kondensator mit einem Dielektrikum speichert die gleiche Ladung wie einer ohne Dielektrikum, aber bei einer niedrigeren Spannung. Deshalb ist ein Kondensator mit einem Dielektrikum darin effektiver.
Dieser kleine Teil hier braucht noch etwas Arbeit.
Was die ersten Entdeckungen der Leydener Flasche angeht. Durch das Entfernen des Stabes wird die Kapazität verringert. (Luft hat eine geringere Dielektrizitätskonstante als Wasser.) Spannung und Kapazität sind umgekehrt proportional, wenn die Ladung konstant ist. Eine Verringerung der Kapazität erhöht die Spannung.
Suszeptibilität, Permittivität, Dielektrizitätskonstante
Das elektrische Dipolmoment von irgendetwas – sei es ein Atom, das in einem äußeren elektrischen Feld gestreckt wird, ein polares Molekül oder zwei entgegengesetzt geladene Metallkugeln – ist definiert als das Produkt aus Ladung und Abstand.
p = q r
mit der SI-Einheit Coulombmeter, die keinen speziellen Namen hat.
Die Polarisation eines Bereichs ist definiert als das Dipolmoment pro Volumeneinheit
| P = | ∑p |
| V |
mit der SI-Einheit von Coulomb pro Quadratmeter.
| ⎡ ⎢ ⎣ |
Cm | = | C | ⎤ ⎥ ⎦ |
| m3 | m2 |
Die Berechnung der Polarisation aus ersten Prinzipien ist ein schwieriges Verfahren, das am besten den Experten überlassen wird. Beschäftigen Sie sich nicht mit den Details, warum die Polarisation den Wert hat, den sie hat, akzeptieren Sie einfach, dass sie existiert und eine Funktion einiger Variablen ist. Und was sind diese Variablen? Es sind das Material und die Feldstärke, natürlich. Verschiedene Materialien polarisieren in unterschiedlichem Maße – wir verwenden den griechischen Buchstaben χe, um diese als elektrische Suszeptibilität bekannte Größe darzustellen – aber für die meisten Materialien gilt: Je stärker das Feld (E), desto größer die Polarisation (P). Fügen Sie eine Proportionalitätskonstante ε0 hinzu, und schon ist alles klar.
P = ε0χeE
Die elektrische Suszeptibilität ist ein dimensionsloser Parameter, der mit dem Material variiert. Sein Wert reicht von 0 für leeren Raum bis hin zu beliebig. Ich wette, es gibt sogar einige bizarre Materialien, für die dieser Koeffizient negativ ist (obwohl ich es nicht sicher weiß). Die Proportionalitätskonstante ε0 ist bekannt als die Permittivität des freien Raums und wird später noch etwas genauer besprochen werden. Im Moment ist sie nur ein Hilfsmittel, um die Einheiten zu ermitteln.
| ⎡ ⎢ ⎣ |
C | = | C2 | N | ⎤ ⎥ ⎦ |
|
| m2 | N m2 | C |
SCHREIBEN SIE DEN REST DAVON.
Die Größe κ ist einheitenlos.
| Material | κ | Material | κ | |
|---|---|---|---|---|
| Luft | 1.005364 | Quarz, kristallin (∥) | 4.60 | |
| Essigsäure | 6.2 | Quarz, kristallin (⊥) | 4,51 | |
| Alkohol, Ethyl (Korn) | 24.55 | Quarz, verschmolzen | 3.8 | |
| Alkohol, Methyl (Holz) | 32.70 | Gummi, Butyl | 2.4 | |
| amber | 2.8 | Kautschuk, Neopren | 6.6 | |
| Asbest | 4.0 | Kautschuk, Silikon | 3.2 | |
| Asphalt | 2.6 | Kautschuk, vulkanisiert | 2.9 | |
| Bakelit | 4.8 | Salz | 5.9 | |
| Kalzit | 8.0 | Eselen | 6.0 | |
| Calciumcarbonat | 8.7 | Silicium | 11.8 | |
| Zellulose | 3,7-7,5 | Siliziumkarbid (αSiC) | 10.2 | |
| Zement | ~2 | Siliziumdioxid | 4.5 | |
| Cocain | 3.1 | Silikonöl | 2.7-2.8 | |
| Baumwolle | 1.3 | Boden | 10-20 | |
| Diamant, Typ I | 5.87 | Strontiumtitanat, +25 °C | 332 | |
| Diamant, Typ IIa | 5.66 | Strontiumtitanat, -195 °C | 2080 | |
| Ebonit | 2.7 | Schwefel | 3.7 | |
| Epoxid | 3.6 | Tantalpentoxid | 27 | |
| Mehl | 3 – 5 | Teflon | 2.1 | |
| freon 12, -150 °C (flüssig) | 3.5 | Zinnantimonid | 147 | |
| Freon 12, +20 °C (Dampf) | 2.4 | Zinntellurid | 1770 | |
| Germanium | 16 | Titandioxid (Rutil) | 114 | |
| Glas | 4-7 | Tabak | 1.6-1,7 | |
| Glas, Pyrex 7740 | 5.0 | Uraniumdioxid | 24 | |
| Guttapercha | 2.6 | Vakuum | 1 (genau) | |
| Treibstoff (Jet a) | 1.7 | Wasser, Eis, -30 °C | 99 | |
| Bleioxid | 25.9 | Wasser, flüssig, 0 °C | 87.9 | |
| Blei-Magnesium-Niobat | 10.000 | Wasser, flüssig, 20 °C | 80.2 | |
| Bleisulfid (Bleiglanz) | 200 | Wasser, flüssig, 40 °C | 73.2 | |
| Bleititanat | 200 | Wasser, flüssig, 60 °C | 66.7 | |
| Lithiumdeuterid | 14.0 | Wasser, flüssig, 80 °C | 60.9 | |
| Lucit | 2.8 | Wasser, flüssig, 100 °C | 55.5 | |
| Glimmer, Muskovit | 5.4 | Wachs, Bienenwachs | 2,7-3,0 | |
| Glimmer, kanadischer | 6.9 | Wachs, carnuba | 2.9 | |
| Nylon | 3.5 | Wachs, Paraffin | 2,1-2,5 | |
| Öl, Leinsamen | 3.4 | Wachspapier | 3.7 | |
| Öl, mineralisch | 2.1 | |||
| Öl, Olivenöl | 3.1 | menschliches Gewebe | κ | |
| Öl, Erdöl | 2.0-2.2 | Knochen, spongiös | 26 | |
| Öl, Silikon | 2.5 | Knochen, kortikal | 14.5 | |
| Öl, Sperma | 3.2 | Gehirn, graue Substanz | 56 | |
| Öl, Transformator | 2.2 | Gehirn, weiße Substanz | 43 | |
| Papier | 3.3, 3.5 | Hirn, Hirnhäute | 58 | |
| Plexiglas | 3.1 | Knorpel, allgemein | 22 | |
| Polyester | 3.2-4,3 | Knorpel, Ohr | 47 | |
| Polyethylen | 2.26 | Auge, Kammerwasser | 67 | |
| Polypropylen | 2,2-2.3 | Auge, Hornhaut | 61 | |
| Polystyrol | 2.55 | Auge, Sklera | 67 | |
| Polyvinylchlorid (pvc) | 4.5 | Fett | 16 | |
| Porzellan | 6-8 | Muskel, glatt | 56 | |
| Kaliumniobat | 700 | Muskel, gestreift | 58 | |
| Kaliumtantalat-Niobat, 0 °C | 34.000 | Haut | 33-44 | |
| Kaliumtantalatniobat, 20 °C | 6,000 | Zunge | 38 |
Dielektrischer Durchschlag
Jeder Isolator kann gezwungen werden, Elektrizität zu leiten. Dieses Phänomen wird als dielektrischer Durchbruch bezeichnet.
| Material | Feld (MV/m) |
Material | Feld (MV/m) |
|
|---|---|---|---|---|
| Luft | 3 | Papier | 14, 16 | |
| amber | 90 | Polyethylen | 50, 500-700, 18 | |
| Bakelit | 12, 24 | Polystyrol | 24, 25, 400-600 | |
| Diamant, Typ IIa | 10 | Polyvinylchlorid (PVC) | 40 | |
| Glas, pyrex 7740 | 13, 14 | Porzellan | 4, 12 | |
| Glimmer, Muskovit | 160 | Quarz, verschmolzen | 8 | |
| Nylon | 14 | Gummi, Neopren | 12, 12 | |
| Öl, Silikon | 15 | Strontiumtitanat | 8 | |
| Öl, Transformator | 12, 27 | Teflon | 60 | |
| Titandioxid (Rutil) | 6 |
Piezoelektrischer Effekt
Sagen Sie alle Vokale auf. Piezoelektrizität ist ein Effekt, bei dem Energie zwischen mechanischen und elektrischen Formen umgewandelt wird.
- Piezo ist das griechische Wort für Druck (πιεζω).
- Entdeckt in den 1880er Jahren von den Gebrüdern Curie.
- Piezoelektrische Mikrofone. Wenn ein polarisierter Kristall gespannt wird, erzeugt die Spannung eine Potentialdifferenz. Diese Potentialdifferenz ist proportional zur Spannung, die wiederum proportional zum Schalldruck ist.
- Ein rückwärtiges piezoelektrisches Mikrofon ist ein piezoelektrischer Lautsprecher: Wecker-Summer, Armbanduhr-Gong, alle Arten von elektronischen Piepsern. Wenn ein elektrisches Potential an einen polarisierten Kristall angelegt wird, erfährt der Kristall eine mechanische Verformung, die wiederum einen akustischen Druck erzeugen kann.
- Collagen ist piezoelektrisch. „Wenn eine Kraft auf Kollagen ausgeübt wird, wird ein kleines elektrisches Gleichstrompotential erzeugt. Das Kollagen leitet den Strom hauptsächlich durch negative Ladungen. Mineralkristalle des Knochens (Apatit) in der Nähe des Kollagens leiten Strom durch positive Ladungen. An einer Verbindungsstelle dieser beiden Arten von Halbleitern fließt der Strom leicht in die eine Richtung, aber nicht in die andere Richtung…. Es wird angenommen, dass die Kräfte auf Knochen durch den piezoelektrischen Effekt Potentiale erzeugen und dass an den Übergängen von Kollagen-Apatit Ströme entstehen, die das Knochenwachstum induzieren und steuern. Die Ströme sind proportional zur Belastung (Kraft pro Flächeneinheit), so dass eine erhöhte mechanische Belastung des Knochens zu einem erhöhten Wachstum führt.“ Physics of the Body (255).
| Typen | Töne erzeugen Änderungen in… |
welche verursachen Änderungen in… |
die zu Änderungen in… |
|---|---|---|---|
| Kohlenstoff | Granulatdichte | Widerstand | Spannung |
| Kondensator | Plattenabstand | Kapazität | Spannung |
| dynamisch | Spulenlage | Fluss | Spannung |
| piezoelektrisch | Kompression | Polarisation | Spannung |