Quelle est la constante diélectrique?

La Constante diélectrique C'est une valeur associée au matériau qui est placé entre les plaques d'un condensateur (ou condenseur - Figure 1) et qui permet d'optimiser et d'augmenter sa fonction. (Giancoli, 2006). Diélectrique est synonyme d'isolateur électrique, c'est-à-dire que ce sont des matériaux qui ne permettent pas le passage du courant électrique.

Cette valeur est importante dans de nombreux aspects, car il est courant pour tout le monde.

Figure 1: différents types de condensateurs.

Par exemple, nos mini-composants, téléviseurs et appareils multimédias utilisent un courant direct pour leurs fonctions, mais les courants nationaux et industriels qui atteignent nos maisons et nos emplois sont des courants alternatifs. Comment est-ce possible?.

Figure 2: circuit électrique d'un équipement domestique

La réponse à cette question se situe dans le même équipement électrique et électronique: les condensateurs (ou condensateurs). Ces composants permettent, entre autres, de rendre possible la rectification du courant alternatif au courant continu et sa fonctionnalité dépend de la géométrie ou de la forme du condensateur et du matériau diélectrique présent dans sa conception.

Les matériaux diélectriques jouent un rôle important, car ils permettent à beaucoup d'amener les plaques qui composent le condensateur, sans être touchées, et couvrent complètement l'espace entre ces plaques avec du matériau diélectrique pour augmenter la fonctionnalité des condensateurs.

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Origine de la constante diélectrique: condensateurs et matériaux diélectriques

La valeur de cette constante est un résultat expérimental, c'est-à-dire qu'il provient des expériences réalisées avec différents types de matériaux isolants et entraînant le même phénomène: une fonctionnalité ou une efficacité accrue d'un condensateur.

Les condensateurs ont associé une ampleur physique appelée capacité "C" et qui définit la quantité de charge électrique "Q" qui peut stocker un condenseur en fournissant une certaine différence de potentiel "∆v" (équation 1).

Peut vous servir: quels sont les éléments de l'univers?(Équation 1)

Les expériences ont conclu qu'en couvrant complètement l'espace entre les plaques d'un condensateur avec un matériau diélectrique, les condensateurs augmentent leur capacité d'un facteur κ, appelé "constante diélectrique". (Équation 2).

(Équation 2)

La figure 3 présente une illustration d'un condensateur de la capacité C des plaques chargées parallèles et, par conséquent, avec un champ électrique uniforme dirigé entre ses plaques.

Dans la partie supérieure de la figure se trouve le condensateur avec le vide parmi ses plaques (vide - permettant ∊0). Ensuite, en bas, le même condensateur avec le condensateur C '> C est présenté, avec un diélectrique parmi ses plaques (d'autoriser ∊).

Figure 3: Condensateur à plaques plates sans diélectrique et diélectrique.

Figueroa (2005), énumère trois fonctions pour les matériaux diélectriques chez les condensateurs:

1. Ils permettent une construction rigide et compacte avec une petite séparation entre les plaques conductrices.
2. Ils permettent d'appliquer une plus grande tension sans provoquer de décharge (le champ électrique de rupture est supérieur à celui de l'air)
3. Augmente la capacité de condensateur dans un facteur κ connu sous le nom de constante de matériau du matériau.

Ainsi, l'auteur indique que, κ "est appelé la constante de matériau du matériau et mesure la réponse de ses dipôles moléculaires à un champ magnétique externe". C'est-à-dire que la constante diélectrique est plus élevée, la polarité des molécules de matériau.

Modèles atomiques de diélectrique

Les matériaux présents, en général, des arrangements moléculaires spécifiques qui dépendent des molécules elles-mêmes et des éléments qui les constituent dans chaque matériau. Parmi les arrangements moléculaires impliqués dans les processus diélectriques se trouvent les "molécules polaires" si appelées.

Dans les molécules polaires, il y a une séparation entre la position moyenne des charges négatives et la position moyenne des charges positives, ce qui leur fait avoir des pôles électriques.

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Par exemple, la molécule d'eau (figure 4) a une polarisation permanente car le centre de distribution de charge positive est au milieu entre les atomes d'hydrogène. (Serway et Jewett, 2005).

Figure 4: Distribution de la molécule d'eau.

Alors que dans la molécule BEH2 (beryllium hydrure - figure 5), molécule linéaire, aucune polarisation ne se produit, car le centre de distribution de charge positif (hydrogènes) est situé dans le centre de distribution de charge négative (béryllium), annulant toute polarisation qui peut exister. Ceci est une molécule non polaire.

Figure 5: Distribution d'une molécule hydrure de Beryl.

Dans le même ordre d'idées, lorsqu'un matériau diélectrique est en présence d'un champ électrique E, les molécules seront alignées en fonction du champ électrique, provoquant une densité de charge de surface sur les faces diélectriques qui font face aux plaques du condensateur.

En raison de ce phénomène, le champ électrique dans le diélectrique est inférieur au champ électrique externe généré par le condensateur. Dans l'illustration suivante (figure 6), un diélectrique polarisé électriquement est illustré dans un condensateur à plaques plates.

Il est important de noter que ce phénomène est plus facilement dans les matériaux polaires que dans le non-polaire, en raison de l'existence de molécules polarisées qui interagissent plus efficacement en présence du champ électrique. Bien que la présence unique du champ électrique provoque la polarisation de molécules non polaires, dérivant dans le même phénomène que avec les matériaux polaires.

Figure 6: Les modèles des molécules polarisées d'un diélectrique en raison du champ électrique sont originaires du condensateur chargé.

Valeurs constantes diélectriques dans certains matériaux

Selon les fonctionnalités, l'économie et l'utilité ultime des condensateurs, différents matériaux isolants sont utilisés pour optimiser leur opération.

Les matériaux tels que le papier sont très économiques, bien qu'ils puissent échouer avec des températures élevées ou un contact d'eau. Alors que le caoutchouc est encore malléable mais plus résistant. Nous avons également la porcelaine, qui résiste aux températures élevées bien qu'elle ne puisse pas être adaptée à différentes manières au besoin.

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Ci-dessous, un tableau spécifié par la constante diélectrique de certains matériaux, où les constantes diélectriques n'ont pas d'unités (sont sans dimension):

Tableau 1: Constantes diélectriques de certains matériaux à température ambiante.

Quelques applications de matériaux diélectriques

Les matériaux diélectriques sont importants dans la société mondiale avec un large éventail d'applications, des communications terrestres et satellites qui incluent les logiciels radio, le GPS, la surveillance environnementale par le biais de satellites, entre autres. (Sebastian, 2010)

De plus, Fiedziuszko et autres (2002) décrivent l'importance des matériaux diélectriques pour le développement de la technologie sans fil, même pour la téléphonie cellulaire. Dans leur publication, ils décrivent le pertinent de ce type de matériaux dans la miniaturisation de l'équipement.

Dans cet ordre d'idées, la modernité a généré une grande demande de matériaux avec des constantes diélectriques élevées et faibles pour le développement d'une vie technologique. Ces matériaux sont des composants essentiels pour les appareils Internet en termes de stockage de données, de communications et de transmissions de données. (Nalwa, 1999).

Les références

1. Fedziuszko, s. J., Chasseur, je. C., Itah, t., Kobayashi, et., Nishikawa, t., Stitzer, s. N., & Wakino, k. (2002). Matériaux diélectriques, dispositifs et circu. IEEE Transacts sur la théorie et les techniques des micro-ondes, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Interaction électrique. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García et fils, Srl.
3. Giancoli, D. (2006). PHYSIQUE. Principe avec les applications. Mexique: Pearson Education.
4. Nalwa, h. S. (Ed.). (1999). Manuel de matériaux constants diélectriques bas et élevés et leurs applications, ensemble en deux volumes. Elsevier.
5. Sebastian, m. T. (2010). Matériaux diélectriques pour la communication sans fil. Elsevier.
6. SERAY, R. & Jewett, J. (2005). Physique pour la science et l'ingénierie. Mexique: Contulaires internationaux de Thomson.