Диелектрик

Диелектрик или изолатор (енг. dielectric, nem. Isolator) је материја или медиј који не проводи електричну струју, то јест вакуум и материја која садржи занемарив број слободних електрона и јона који се могу кретати под утицајем спољашњег електричног поља, односно свака материја којој је електрична отпорност већа од 10⁸ Ω м. Електрична отпорност јантара већа је од 10¹⁶ Ωм, а парафина, сумпора и стакла већа од 10¹⁴ Ωм.^[1]

Истраживање диелектричних својстава односи се на складиштење и дисипацију електричне и магнетне енергије у материјалима.^[2]^[3]^[4] Диелектрици су важни за објашњавање разних феномена у електроници, оптици, физици чврстог стања, и ћелијској биофизици.

Терминологија

Мада термин изолатор подразумева ниску електричну проводљивост, диелектрик типично представља материјале са високом поларизабилношћу. Каснија величина се изражава као релативна пермитивност. Термин изолатор се генерално користи за указивање на електричну опструкцију, док се термин диелектрик користи за означавање капацитета складиштења енергије у материјалу (путем поларизације). Уобичајени пример диелектрика је електрично изолациони материјал између металних плоча кондензатора. Поларизација диелектрика примењеним електричним пољем повећава површински набој кондензатора за дату јачину електричног поља.^[5]

Термин диелектрик је сковао Вилијам Вивел (од dia- + electric) у респонсу на захтев Мајкла Фарадеја.^[6]^[7] Перфектни диелектрик је материјал са нултом електричном проводљивошћу (цф. перфектни проводник бесконачне елетричне проводности),^[8] који стога испољава само струју помака; стога складишти и враћа електричну енергију као да је идеалан кондензатор.

Електрична сусцептибилност

Електрична сусцептибилност χ_е диелечног материјала изражава колико лако се он може поларизовати у респонсу на електрично поље. Ово својство одређује електричну пермитивност материјала и стога утиче на многе друге феномене у том медијуму, од капацитивности кондензатора до брзине светлости.

Она је дефинисана као константа пропорционалности (која може да буде тензор) којом се повезује електрично поље Е са индукованом диелектричном поларизационом густином P, тако да је

\mathbf {P} =\varepsilon _{0}\chi _{e}\mathbf {E} ,

где је ε₀ електрична пермитивност слободног простора.

Сусцептибилност медијума је повезана са његовом релативном пермитивношћу ε_р са

\chi _{e}\ =\varepsilon _{r}-1.

У случају вакуума је,

\chi _{e}\ =0.

Електрични помак D је повезан са поларизационом густином П изразом

\mathbf {D} \ =\ \varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P} \ =\ \varepsilon _{0}\left(1+\chi _{e}\right)\mathbf {E} \ =\ \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}\mathbf {E} .

Дисперзија и каузалност

У општем случају, материјал се не може моментално поларизовати у респонсу на примењено поље. Генералнија формулација као функција времена је

\mathbf {P} (t)=\varepsilon _{0}\int _{-\infty }^{t}\chi _{e}\left(t-t'\right)\mathbf {E} \left(t'\right)\,dt'.

Другим речима, поларизација је конволуција електричног поља у ранијем времену са временски зависном сусцептибилношћу датом са χ_e(Δt). Горњи лимит овог интеграла се исто тако може продужити до бесконачности ако се дефинише χ_е(Δт) = 0 за Δт < 0. Тренутни респонс кореспондира Дираковој делта функцији сусцептибилности χ_е(Δт) = χ_еδ(Δт).

У линеарном систему је згодније да се примени Фуријеова трансформација и ова релација напише као функција фреквенције. Услед конволуционе теореме, интеграл постаје једноставни производ,

\mathbf {P} (\omega )=\varepsilon _{0}\chi _{e}(\omega )\mathbf {E} (\omega ).

Потребно је уочити једноставну фреквенциону зависност сусцептибилности, или еквивалентно пермитивности. Облик сусцептибилности у контексту фреквенције карактерише својство дисперзије материјала.

Чињеница да поларизација може једино да зависи од електричног поља из ранијег времена (и.е., χ_е(Δт) = 0 за Δт < 0), као последица каузалности, намеће Крејмерс–Кронигова ограничења на реалне и имагинарне делове сусцептибилности χ_е(ω).

Својства диелектричних материјала

Својства диелектричних материјала описују, осим електричне отпорности, још и диелектрична пермитивност, површинска електрична отпорност, диелектрична чврстоћа, диелектрични губитци, поларизација и друго.

Површинска електрична отпорност

Површинска електрична отпорност чврстих диелектрика зависи од релативне влажности околине, чистоће и полираности површине, порозности и поларизованости, а површинска електрична отпорност течних диелектрика зависи од садржаја и количине нечистоћа, температуре, јачине електричног поља и тако даље.

Диелектрична чврстоћа

Диелектрична чврстоћа показује издржљивост диелектрика на повећање јачине електричног поља. Када јачина електричног поља нарасте до одређене вредности, због загревања или хемијских промена изазваних електричним пољем, долази до електричног пробоја. Последице електричног пробоја зависе од агрегатног стања диелектрика, то јест гасовити и течни диелектрици се регенеришу, а чврсти се не регенеришу. Што је слој изолатора (диелектрика) између плоча тањи, то је његова диелектрична чврстоћа већа, то јест он може издржати више киловолта по милиметру. Тако на пример слој порцулана дебљине 1 мм пробије се код јачине поља од 25 kV/mm, а слој дебљине 10 мм код 20 kV/mm.

Диелектрични губици

Диелектрични губитци електричне енергије настају у диелектрицима због електричне проводљивости, јонизације, поларизације, нехомогености и друго. У диелектричне губитке због поларизације припадају и резонантни губитци који настају при одређеним фреквенцијама променљивога спољашњег електричног поља.

Поларизација диелектрика

Поларизација диелектрика или диелектрична поларизација је размицање позитивног и негативног електричног набоја делова честица које чине диелектричну материју, то јест повећавање електричног диполног момента или усмеравање честица (на пример поларних молекула) у смеру спољашњег електричног поља тако да се на међусобно супротним странама тела појављује једнака количина електричног набоја супротног предзнака, то јест повећава се електрична поларизација. Поларизација диелектрика зависи од врсте диелектрика, јачине и брзине промјене спољашњег електричног поља, температуре, код гасовитих диелектрика и од притиска. На микроскопском нивоу поларизација може бити електронска (силе спољашњег електричног поља делујући у супротном смеру на електроне и језгра атома мало помакну електронске омотаче тако да се језгре атома више не налазе у средиштима атома), оријентацијска (спољашње електрично поље закреће молекуле, односно електричне диполе) и јонска (под деловањем спољашњег електричног поља помичу се јони диелектрика).

Поларизацију диелектрика открио је M. Фарадеј. Према његовом схватању сваки делић диелектрика у електричном пољу поларизује се у смеру поља, па се као коначан резултат на супротним странама тела ствара површински електрицитет. Сваки је такав делић један електрични дипол. Чим престане деловати електрично поље, већина диелектрикâ губи поларизацију, то јест постаје електрично неутрална.

Електрична инфлуенција збива се и у електричном изолатору који се зове диелектрик. Ако се наелектрисаном електроскопу приближи изолатор, листићи електроскопа ће мало пасти, што се објашњава електричном инфлуенцијом у диелектрику. Разноимени електрицитет ближег краја диелектрика привлачи један део електричног набоја који се налази на електроскопу, па се набој смањује на његовим листићима. У диелектрику су сви електрони нераздвојно везани с позитивним атомским језграма, па се у диелектрицима позитивни и негативни набоји могу само премештати један према другоме. Најједноставнији облик неутралног молекула је дипол који се састоји од позитивног и негативног набоја. Ако нема спољашњег електричног поља, ти су диполи поразбацани било како. Међутим, кад се диелектрик налази у електричном пољу, на пример између набијених плоча, диполи се деломично поређају у смеру тога поља, то јест позитивни се набоји оријентишу према једном крају тела, а негативни према другом. Диелектрик у којем је извршено уређивање дипола у смеру електричног поља зове се поларизовани диелектрик, а сам поређај дипола у диелектрику зове се диелектрична поларизација.^[9]

Електронска поларизација

Електронска поларизација настаје кад се под утицајем електричног поља на диелектрик за малу удаљеност мења положај електрона углавном у спољашњим љускама електронских омотача свих молекула или атома (електрони у диелектрику не напуштају своје молекуле или атоме све док електрично поље не постане толико јако да дође до пробоја диелектрика) и сви молекули или атоми постају диполи оријентисани у смеру електричног поља.

Јонска поларизација

Јонска поларизација настаје деловањем електричнога поља на јонске кристале. Под утицајем електричнога поља јони се у диелектрику удаљавају за мале удаљености (позитивни и негативни јони удаљавају се у супротним смеровима) од својих положаја у кристалној решетци.

Оријентациона поларизација

Оријентациона поларизација углавном настаје код гасовитих и течних диелектрика кад електрично поље делује на поларне молекуле (молекуле који нису електрично неутрални, на пример вода) оријентишући их у смеру поља. У чврстим диелектрицима поларни молекули теже мењају положај јер су везани за суседне молекуле међумолекуларим силама.

Спонтана поларизација

Спонтана поларизација појављује се без утицаја електричног поља код тела начињених од диелектричне материје специфичних својстава (фероелектрицитет).^[10]

Референце

^ Диелектрик, [1] "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2015.
^ Артхур Р. вон Хиппел, ин хис семинал wорк, Диелецтриц Материалс анд Апплицатионс, статед: "Диелецтрицс... аре нот а нарроw цласс оф со-цаллед инсулаторс, бут тхе броад еxпансе оф нонметалс цонсидеред фром тхе стандпоинт оф тхеир интерацтион wитх елецтриц, магнетиц, ор елецтромагнетиц фиелдс. Тхус wе аре цонцернед wитх гасес ас wелл ас wитх лиqуидс анд солидс, анд wитх тхе стораге оф елецтриц анд магнетиц енергy ас wелл ас итс диссипатион." (Тецхнологy Пресс оф МИТ анд Јохн Wилеy, НY, 1954).
^ Тхомс, Е.; Сиппел, П.; ет., ал. (2017). „Диелецтриц студy он миxтурес оф иониц лиqуидс”. Сци. Реп. 7 (1): 7463. Бибцоде:2017НатСР...7.7463Т. ПМЦ 5547043  . ПМИД 28785071. арXив:1703.05625  . дои:10.1038/с41598-017-07982-3.
^ Белкин, А.; Безрyадин, А.; Хендрен, L.; Хублер, А. (2017). „Рецоверy оф Алумина Наноцапациторс афтер Хигх Волтаге Бреакдоwн”. Сци. Реп. 7: 932. Бибцоде:2017НатСР...7..932Б. ПМИД 28428625. дои:10.1038/с41598-017-01007-9.
^ Диелецтриц Архивирано на сајту Wayback Machine (27. април 2021). Енцyцлопæдиа Британница: "Диелецтриц, инсулатинг материал ор а верy поор цондуцтор оф елецтриц цуррент. Wхен диелецтрицс аре плацед ин ан елецтриц фиелд, працтицаллy но цуррент флоwс ин тхем бецаусе, унлике металс, тхеy хаве но лооселy боунд, ор фрее, елецтронс тхат маy дрифт тхроугх тхе материал."
^ Даинтитх, Ј. (1994). Биограпхицал Енцyцлопедиа оф Сциентистс. ЦРЦ Пресс. стр. 943. ИСБН 978-0-7503-0287-6.
^ Јамес, Франк А.Ј.L., едитор. Тхе Цорреспонденце оф Мицхаел Фарадаy, Волуме 3, 1841–1848, „Леттер 1798, Wиллиам Wхеwелл то Фарадаy, п. 442.”. Архивирано из оригинала 23. 12. 2016. г. Приступљено 03. 03. 2019. Тхе Институтион оф Елецтрицал Енгинеерс, Лондон, Унитед Кингдом. 1996. ISBN 978-0-86341-250-9.
^ Мицроwаве Енгинееринг – Р. С. Рао (Проф.). Приступљено 8. 11. 2013.
^ Велимир Круз: "Техничка физика за техничке школе", "Школска књига" Загреб, 1969.
^ Поларизација диелектрика, [2] "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2017.

Литература

Јацксон, Јохн Давид (10. 8. 1998). Цлассицал Елецтродyнамицс (3 рд изд.). Јохн Wилеy & Сонс. ИСБН 978-0-471-30932-1. ^{[мртва веза]} 808 ор 832 пагес.
Сцаифе, Брендан (3. 9. 1998). Принциплес оф Диелецтрицс (Монограпхс он тхе Пхyсицс & Цхемистрy оф Материалс) (2 нд изд.). Оxфорд Университy Пресс. ИСБН 978-0198565574.

Спољашње везе

Electromagnetism Архивирано на сајту Wayback Machine (3. јун 2011) – A chapter from an online textbook
Dielectric Sphere in an Electric Field
DoITPoMS Teaching and Learning Package "Dielectric Materials"

[1] Диелектрик, [1] "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2015.

[2] Артхур Р. вон Хиппел, ин хис семинал wорк, Диелецтриц Материалс анд Апплицатионс, статед: "Диелецтрицс... аре нот а нарроw цласс оф со-цаллед инсулаторс, бут тхе броад еxпансе оф нонметалс цонсидеред фром тхе стандпоинт оф тхеир интерацтион wитх елецтриц, магнетиц, ор елецтромагнетиц фиелдс. Тхус wе аре цонцернед wитх гасес ас wелл ас wитх лиqуидс анд солидс, анд wитх тхе стораге оф елецтриц анд магнетиц енергy ас wелл ас итс диссипатион." (Тецхнологy Пресс оф МИТ анд Јохн Wилеy, НY, 1954).

[3] Тхомс, Е.; Сиппел, П.; ет., ал. (2017). „Диелецтриц студy он миxтурес оф иониц лиqуидс”. Сци. Реп. 7 (1): 7463. Бибцоде:2017НатСР...7.7463Т. ПМЦ 5547043  . ПМИД 28785071. арXив:1703.05625  . дои:10.1038/с41598-017-07982-3.

[4] Белкин, А.; Безрyадин, А.; Хендрен, L.; Хублер, А. (2017). „Рецоверy оф Алумина Наноцапациторс афтер Хигх Волтаге Бреакдоwн”. Сци. Реп. 7: 932. Бибцоде:2017НатСР...7..932Б. ПМИД 28428625. дои:10.1038/с41598-017-01007-9.

[britannica1-5] Диелецтриц Архивирано на сајту Wayback Machine (27. април 2021). Енцyцлопæдиа Британница: "Диелецтриц, инсулатинг материал ор а верy поор цондуцтор оф елецтриц цуррент. Wхен диелецтрицс аре плацед ин ан елецтриц фиелд, працтицаллy но цуррент флоwс ин тхем бецаусе, унлике металс, тхеy хаве но лооселy боунд, ор фрее, елецтронс тхат маy дрифт тхроугх тхе материал."

[6] Даинтитх, Ј. (1994). Биограпхицал Енцyцлопедиа оф Сциентистс. ЦРЦ Пресс. стр. 943. ИСБН 978-0-7503-0287-6.

[7] Јамес, Франк А.Ј.L., едитор. Тхе Цорреспонденце оф Мицхаел Фарадаy, Волуме 3, 1841–1848, „Леттер 1798, Wиллиам Wхеwелл то Фарадаy, п. 442.”. Архивирано из оригинала 23. 12. 2016. г. Приступљено 03. 03. 2019. Тхе Институтион оф Елецтрицал Енгинеерс, Лондон, Унитед Кингдом. 1996. ISBN 978-0-86341-250-9.

[8] Мицроwаве Енгинееринг – Р. С. Рао (Проф.). Приступљено 8. 11. 2013.

[9] Велимир Круз: "Техничка физика за техничке школе", "Школска књига" Загреб, 1969.

[10] Поларизација диелектрика, [2] "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2017.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]