Apa konstanta dielektrik?

Konstanta dielektrik adalah nilai yang terkait dengan bahan yang ditempatkan di antara pelat kapasitor (atau kapasitor - Gambar 1) dan yang memungkinkan untuk mengoptimalkan dan meningkatkan fungsinya. (Giancoli, 2006). Dielektrik identik dengan isolasi listrik, yaitu, mereka adalah bahan yang tidak memungkinkan lewatnya arus listrik.

Nilai ini penting dari banyak aspek, karena untuk semua itu adalah umum untuk menggunakan peralatan listrik dan elektronik di rumah kita, ruang rekreasi, pendidikan atau pekerjaan, tetapi tentunya kita tidak tahu proses rumit yang terjadi pada peralatan ini untuk berfungsi.

Misalnya, komponen mini, televisi, dan perangkat multimedia kami menggunakan arus searah untuk fungsinya, tetapi arus domestik dan industri yang mencapai rumah dan tempat kerja kami adalah arus bolak-balik. Bagaimana ini mungkin?

Jawaban untuk pertanyaan ini adalah dalam peralatan listrik dan elektronik yang sama: kapasitor (atau kapasitor). Komponen-komponen ini memungkinkan, antara lain, perbaikan arus bolak-balik menjadi arus searah dan fungsinya tergantung pada geometri atau bentuk kapasitor dan bahan dielektrik yang ada dalam desainnya.

Bahan dielektrik memainkan peran penting, karena memungkinkan pelat yang membentuk kapasitor menjadi sangat dekat, tanpa menyentuhnya, dan sepenuhnya menutupi ruang antara pelat tersebut dengan bahan dielektrik untuk meningkatkan fungsionalitas kapasitor.

Asal konstanta dielektrik: kapasitor dan bahan dielektrik

Nilai dari konstanta ini adalah hasil eksperimen, yaitu berasal dari eksperimen yang dilakukan dengan berbagai jenis bahan isolasi dan menghasilkan fenomena yang sama: peningkatan fungsi atau efisiensi kapasitor.

Kapasitor dikaitkan dengan kuantitas fisik yang disebut kapasitansi "C" dan yang menentukan jumlah muatan listrik "Q" yang dapat disimpan oleh kapasitor ketika memasok perbedaan potensial "ΔV" (Persamaan 1).

Eksperimen telah menyimpulkan bahwa dengan sepenuhnya menutupi ruang antara pelat kapasitor dengan bahan dielektrik, kapasitor meningkatkan kapasitansinya dengan faktor κ, yang disebut "konstanta dielektrik". (Persamaan 2).

Gambar 3 menunjukkan ilustrasi kapasitansi kapasitor C dari pelat datar paralel yang dimuat dan, akibatnya, dengan medan listrik yang seragam diarahkan ke bawah di antara pelatnya.

Di bagian atas gambar adalah kapasitor dengan vakum di antara lempengnya (vakum - dari permitivitas ε0). Kemudian, di bagian bawah, kapasitor yang sama dengan kapasitansi C '> C disajikan, dengan dielektrik di antara pelatnya (dari permitivitas ε).

Figueroa (2005), mencantumkan tiga fungsi untuk bahan dielektrik dalam kapasitor:

1. Mereka memungkinkan konstruksi yang kaku dan kompak dengan pemisahan kecil antara pelat konduktif.
2. Mereka memungkinkan tegangan yang lebih tinggi untuk diterapkan tanpa menyebabkan kejutan (medan listrik pecah lebih besar daripada udara)
3. Meningkatkan kapasitansi kapasitor dengan faktor κ yang dikenal sebagai konstanta dielektrik material.

Dengan demikian, penulis menunjukkan bahwa, κ "disebut konstanta dielektrik material dan mengukur respons dipol molekulnya terhadap medan magnet eksternal". Yaitu, konstanta dielektrik lebih besar semakin besar polaritas molekul material.

Model atom dari dielektrik

Materi-materi hadir, secara umum, pengaturan molekuler spesifik yang bergantung pada molekul itu sendiri dan unsur-unsur yang membentuknya dalam setiap material. Di antara pengaturan molekuler yang campur tangan dalam proses dielektrik adalah yang disebut "molekul polar" atau terpolarisasi.

Dalam molekul kutub, ada pemisahan antara posisi rata-rata muatan negatif dan posisi rata-rata muatan positif, menyebabkan mereka memiliki kutub listrik.

Sebagai contoh, molekul air (Gambar 4) memiliki polarisasi permanen karena pusat distribusi muatan positif berada di titik tengah antara atom hidrogen. (Serway dan Jewett, 2005).

Sedangkan pada molekul BeH2 (berilium hidrida - Gambar 5), molekul linier, tidak ada polarisasi, karena pusat distribusi muatan positif (hidrogen) berada di pusat distribusi muatan negatif (berilium), membatalkan segala polarisasi yang mungkin ada. Ini adalah molekul non-polar.

Dalam urutan gagasan yang sama, ketika bahan dielektrik berada di hadapan medan listrik E, molekul akan disejajarkan sebagai fungsi medan listrik, menyebabkan kepadatan muatan permukaan pada permukaan dielektrik yang menghadap pelat kapasitor.

Karena fenomena ini, medan listrik di dalam dielektrik lebih kecil dari medan listrik eksternal yang dihasilkan oleh kapasitor. Ilustrasi berikut (gambar 6) menunjukkan dielektrik terpolarisasi listrik di dalam kapasitor pelat datar.

Penting untuk dicatat bahwa fenomena ini menghasilkan bahan polar lebih mudah daripada yang non-polar, karena keberadaan molekul terpolarisasi yang berinteraksi dengan efisiensi yang lebih besar di hadapan medan listrik. Meskipun, keberadaan medan listrik semata-mata menyebabkan polarisasi molekul nopolar, yang berasal dari fenomena yang sama dengan bahan-bahan kutub.

Nilai-nilai konstanta dielektrik dalam beberapa bahan

Bergantung pada fungsi, keekonomisan dan kegunaan utama kapasitor, bahan isolasi yang berbeda digunakan untuk mengoptimalkan operasi mereka.

Bahan seperti kertas sangat ekonomis, meskipun bisa gagal dengan suhu tinggi atau kontak dengan air. Sementara karet, itu tetap lunak tetapi lebih tahan. Kami juga memiliki porselen, yang tahan suhu tinggi tetapi tidak dapat beradaptasi dengan berbagai bentuk sesuai kebutuhan.

Di bawah ini adalah tabel di mana konstanta dielektrik dari beberapa bahan ditentukan, di mana konstanta dielektrik tidak memiliki satuan (tidak berdimensi):

Tabel 1: Konstanta dielektrik dari beberapa bahan pada suhu kamar.

Beberapa aplikasi bahan dielektrik

Materi dielektrik penting dalam masyarakat global dengan berbagai aplikasi, mulai dari komunikasi terestrial dan satelit yang meliputi perangkat lunak radio, GPS, pemantauan lingkungan melalui satelit, antara lain. (Sebastian, 2010)

Selain itu, Fiedziuszko et al. (2002) menggambarkan pentingnya bahan dielektrik untuk pengembangan teknologi nirkabel, termasuk untuk telepon seluler. Dalam publikasi mereka, mereka menggambarkan relevansi jenis bahan ini dalam miniaturisasi peralatan.

Dalam urutan gagasan ini, modernitas telah menghasilkan permintaan besar akan bahan dengan konstanta dielektrik tinggi dan rendah untuk pengembangan kehidupan teknologi. Bahan-bahan ini adalah komponen penting untuk perangkat internet dalam hal fungsi penyimpanan data, komunikasi dan kinerja transmisi data. (Nalwa, 1999).