Dielektriko

Material dielektrikoak eroankortasun elektrikoa (σ<<1) oso baxua duen materiala da, hots, material isolatzeailea da, baina eremu elektriko baten pean bere barnean dipolo elektrikoak eratzeko ahalmena izan behar du. Horrela, material dielektriko guztiak isolatzaileak izan arren, material isolatzaile guztiak ez dira dielektrikoak izango.

Beira, zeramika, goma, petrolioa, mika, argizaria, papera, zur lehorra, portzelana, erabilera industrial eta elektronikorako koipe batzuk, bakelita... material dielektriko ezagunak dira.

1.Irudia: Michael Faraday fisikari eta kimikari britaniarra

Terminologia

“Dielektriko” terminoa Grekotik dator, eta William Whewell-ak proposatua da, Michael Faraday-ri erantzunez [1][2].

Dielektrikoa material isolatzailea izan arren, ahalmen polarizatzaile altua duen materiala da, azken hau permeatibitate erlatiboa deituriko zenbakiaren bitartez adierazten delarik.

Dielektriko ezagunena, kondentsadoreetan plaka metalikoen artean dagoen materiala da[3]. Eremu elektriko baten pean, dielektrikoa polarizatzen da eta kondentsadorean gainazaleko karga handitu egiten da.

Dielektriko perfektua, eroankortasun zero duen materiala izango zen. Horrela, energia elektrikoa gorde eta itzultzen du kondentsadore ideala izango balitz bezala[4].

Suszeptibilitate elektrikoa

Material dielektriko baten suszeptibilitate elektrikoak (χe) material bat polarizatzeko erraztasuna elektriko baten pean neurtzen du. Honek, materialaren permeatibitate elektrikoa ere determinatzen du, eta honekin batera, beste hainbat faktoreetan eragina du.

Suszeptibitate dielektrikoa, χe, E eremu elektrikoreneta P induzitutako polarizazio dielektrikoaren arteko proportzionaltasun-konstantea da: P=ε0E, non ε0 permeatibitate elektrikoa hutsean den.

Sintonagarritasuna

Material dielektriko sintonizagarriak, aplikatutako boltaiaren arabera karga gordetzeko ahalmen desberdinak dituzten konposatu isolatzaileak dira. Normalean, tenperatura baxuetako aplikazioetan estrontzio titanatoak erabiltzen dira, eta tenperatura altuetan, bario estrontzio titanatoak.

Aplikazioak

Material dielektriko[5] erabilienak airea, papera eta polibinil kloruroa dira.

  • Kondentsadoreak: Kondentsadore komertzialak, permitibitate altuko solidoak dira eta karga positibo eta negatiboen artean jartzen da. Bateria bateko kondentsadore batean konposatu dielektrikoa sartzean hurrengo ondorioak sor ditzake:
    • Bateriako kondentsadoreen pareten arteko eremu elektrikoa jaitsiko da.
    • Potentzial-diferentzia ere txikiago egingo da, Vi/k erlazioak
    • Kondentsadoreak jasan dezakeen potentzial-diferentzia maximoa handitzen da, txispa bat atera baino lehen (apurketa dielektrikoa gertatu baino lehen). Hori dela eta, kondentsadorearen kapazitate elektrikoa handitzen da k aldiz.
    • Kondentsadoarean jarri den karga kantitatea ez da aldatzen material dielektrikoa sartzerakoan. Normalean, konposatu dielektriko bat eroale bihurtzen da apurketa dielektrikoaren eremua gainditu egiten denean. Tentsio maximo horri, zurruntasun dielektrikoa deritzo. Hau da, zenbait material dielektriko eremu elektriko altuetan eroale bilakatu daitezke.
  • Erresonadore dielektrikoa: Konposatu elektroniko bat da, maiztasun tarte txikietan (mikro uhinetan normalean) polarizazioaren erresonantzia erakusten duena. Normalean, konstante dielektriko altuko eta dispertsio-faktore txikiko zeramikak dira eta oszilazioak dauden zirkuitoetan erabiltzen dira.
  • BST[6] filmak : Bario estrontzio titanato ferroelektrikozko film meheak dira, normalean erabili egiten dira irrati-frekuentzia eta mikrohuinekin erlazionatuta dauden konposatuak sortzeko. Batzuetan, Mg-rekin dopatu egiten da bere propietate dielektrikoak hobetzeko[7].

Konposatu dielektrikoen beste adibide batzuk:

  • Estaldura industrialak
  • Olio mineralak
  • Van De Graaff generadorea
  • Polimero eta kristal ionikoak

Polarizazio dielektrikoa

Oinarrizko eredu atomikoa

Eredu dielektrikoaren ikuspegi klasikoan, material bat atomoz osatuta dago. Atomo bakoitzak karga negatiboko hodei bat (elektroiak) dauka, erdiko karga puntual positibo bat inguratuz. Eremu elektriko batean, karga-hodeia deformatuta geratzen da, 2.irudiaren goiko eskuineko izkinan erakusten den bezala.

2.Irudia: Eredu dielektriko klasikoa

Hori dipolo sinple batera murritz daiteke gainjartze printzipioa erabiliz. Dipoloa bere momentu dipolarrak bereizten du[8] (irudian M gezi urdina) eta eremu elektrikoaren eta une dipolarraren arteko erlazioa da. (Kontuan izan une dipolarrak eremu elektrikoak irudian duen norabide bera duela, hori ez da beti kasua, eta sinplifikazio garrantzitsua da, baina egia da material askorentzat).

Eremu elektrikoa kentzean, atomoa bere jatorrizko egoerara itzultzen da, eta hori egiteko behar den denborari erlaxazio-denbora deritzo.

Polarizazio dipolarra

Polarizazio dipolarra molekula polarren berezko polarizazioa da (orientazioaren polarizazioa) edo nukleoen distortsio asimetrikoa (distortsioaren polarizazioa) posible den edozein molekulatan eragin daiteke. Orientazioaren polarizazioa dipolo iraunkor batetik dator, adibidez, 104.45º-ko angelutik sortzen dena ur molekulan oxigeno eta hidrogeno atomoen arteko lotura asimetrikoen artean, polarizazioa atxikitzen duena kanpoko eremu elektrikorik ez dagoenean. Dipolo horien mihiztadurak polarizazio makroskopikoa osatzen du.

Kanpoko eremu elektriko bat aplikatzen denean, dipolo iraunkor bakoitzaren barruko kargen arteko distantzia, lotura kimikoarekin lotuta dagoena, etengabe mantentzen da orientazioaren polarizazioan; hala ere, polarizazioaren norabidea bera biratzen da. Errotazio hori molekulen parearen eta inguruko biskositate lokalaren mende dagoen denbora-eskala batean gertatzen da. Errotazioa berehalakoa ez denez, polarizazio dipolarrek eremu elektrikoekiko erantzuna galtzen dute frekuentzia altuenetan. Molekula batek gutxi gorabehera 1 erradian segundoko fluido batean, eta, beraz, galera hau 1011 Hz-tan gertatzen da (mikrouhinen eskualdean). Eremu elektrikoaren aldaketari erantzuna atzeratzeak marruskadura eta beroa eragiten ditu.

Frekuentzia infragorriei edo txikiagoei kanpoko eremu elektriko bat aplikatzen zaienean, molekulak tolestu eta luzatu eta une dipolar molekularra aldatzen da. Bibrazio molekularraren maiztasuna molekulek tolesteko behar duten denboraren alderantzizkoa da gutxi gorabehera, eta distortsio polarizazio hori infragorriaren gainetik desagertzen da.

Polarizazio ionikoa

Polarizazio ionikoa kristal ionikoetan ioi positiboen eta negatiboen arteko desplazamendu erlatiboek eragindako polarizazioa da (adibidez, NaCl).

Kristal edo molekula bat mota bat baino gehiagoko atomoetan baldin badago, atomo baten inguruko kargen banaketa kristalean edo molekulan positiborantz edo negatiborantz okertzen da. Ondorioz, dardara erretikularrek edo bibrazio molekularrek atomoen desplazamendu erlatiboak eragiten dituztenean, karga positiboen eta negatiboen zentroak ere mugitu egiten dira. Joan-etorrien simetriak eragina du zentro horien kokapenean. Eremu elektrikoa bat ez datozenean, polarizazioa sortzen da molekuletan edo kristaletan. Polarizazio horri polarizazio ionikoa deitzen zaio.

Polarizazio ionikoak efektu ferroelektrikoa eta polarizazio dipolarra eragiten ditu. Trantsizio ferroelektrikoa, dipolo iraunkorren orientazioen lerrokadurak norabide partikular batean eragiten duena, ordena-desordenaren faseko trantsizioa deitzen da. Kristaletan polarizazio ionikoek eragindako trantsizioa fase desplazatzailearen trantsizioa deitzen da.

Dispertsio dielektrikoa

Fisikan, dispertsio dielektrikoa aplikatutako eremu elektriko baten frekuentziarekiko material dielektriko baten onargarritasunaren mendekotasuna da. Polarizazioaren eta eremu elektrikoaren aldaketen artean desfase bat dagoenez, dielektrikoaren posibilitatea eremu elektrikoaren maiztasunaren funtzio konplikatua da. Sakabanaketa dielektrikoa oso garrantzitsua da material dielektrikoak aplikatzeko eta polarizazio sistemak aztertzeko.

Hau materialaren sakabanaketa bezala ezagutzen den fenomeno orokor baten instantzia bat da: uhinen hedapenerako bitarteko baten maiztasunaren araberako erantzuna. Maiztasuna altuago bihurtzen denean:

  • Polarizazio dipolarrak ezin ditu eremu elektrikoaren oszilazioak jarraitu mikrouhinen eskualdean 10^10 Hz inguru
  • Polarizazio ionikoak eta distortsio molekularreko polarizazioak ezin diote eremu elektrikoari jarraitu eremu infragorria edo infragorritik harantzago 10^13 Hz inguru.
  • Polarizazio elektronikoak eskualde ultramorean 10^15 Hz inguruko erantzuna galtzen du.

Erlaxazio dielektrikoa

Erlaxazio dielektrikoa material baten konstante dielektrikoan une bateko atzerapena da. Hori, oro har, polarizazio molekularraren atzerapenak eragiten du ingurune dielektriko bateko eremu elektriko aldakorrarekiko (adibidez, barne-kondentsadoreak edo bi azalera eroale handiren artean). Eremu elektriko aldakorretan erlaxazio dielektrikoa histeresiaren antzekoa izan liteke eremu magnetiko aldakorretan (adibidez, induktore edo transformadore nukleoetan). Erlaxazioa, oro har, sistema lineal baten erantzunaren atzerapena da, eta, beraz, erlaxazio dielektrikoa egoera egonkorretik (oreka) espero diren balio dielektriko linealei dagokienez neurtzen da. Eremu elektrikoaren eta polarizazioaren arteko denbora-tarteak Gibbsen energia librearen degradazio itzulezina dakar[9]. Fisikan, erlaxazio dielektrikoa ingurune dielektriko batek kanpoko eremu elektriko oszilatzaile bati ematen dion erlaxazio-erantzunari dagokio. Erlaxazio hau, askotan, probabilitate terminoetan deskribatzen da, maiztasun funtzio bat bezala, sistema idealetarako, Debyeren ekuazioak deskriba dezakeena. Bestalde, polarizazio ioniko eta elektronikoarekin lotutako distortsioak erresonantzia edo osziladore motaren portaera erakusten du. Distortsio-prozesuaren izaera laginaren egituraren, konposizioaren eta ingurunearen araberakoa da.

Ultramorearen gainetik dagoen frekuentzia eremuan, posibilitatea, substantzia bakoitzean, bere konstantera gerturatzen da, non zeuden espazio librearen posibilitateak. Onargarritasunak eremu elektriko baten eta polarizazioaren arteko harremanaren indarra adierazten duenez, polarizazio-prozesu batek erantzuna galtzen badu, posibilitatea murriztu egiten da.

Erreferentziak
  1. Biographical encyclopedia of scientists. (2nd ed. argitaraldia) Institute of Physics Pub 1994 ISBN 0-7503-0285-2. PMC 29563940. (Noiz kontsultatua: 2019-12-11).
  2. Faraday, Michael, 1791-1867.. (©1991-2012). The correspondence of Michael Faraday. Institution of Electrical Engineers ISBN 0-86341-248-3. PMC 24750569. (Noiz kontsultatua: 2019-12-11).
  3. Shneider, M N. (2016). «A liquid dielectric in an electric field» Liquid Dielectrics in an Inhomogeneous Pulsed Electric Field (IOP Publishing) ISBN 978-0-7503-1245-5. (Noiz kontsultatua: 2019-12-11).
  4. Fidler, Prof. (John) Kelvin, (born 11 May 1944), consultant on engineering and higher education, since 2008; Vice-Chancellor and Chief Executive, University of Northumbria at Newcastle, 2001–08. Oxford University Press 2007-12-01 (Noiz kontsultatua: 2019-12-11).
  5. Dąbrowski, Jarek; Müssig, Hans-Joachim. (2004-01). «Preface» Materials Science in Semiconductor Processing 7 (4-6): 165.  doi:10.1016/j.mssp.2004.09.062. ISSN 1369-8001. (Noiz kontsultatua: 2019-12-11).
  6. American Ceramic Society. Meeting (106th : 2004 : Indianapolis, Ind.). (2005). Developments in dielectric materials and electronic devices : proceedings of the 106th Annual Meeting of the American Ceramic Society : Indianapolis, Indiana, USA (2004). American Ceramic Society ISBN 978-1-118-40819-3. PMC 608824121. (Noiz kontsultatua: 2019-12-11).
  7. Cole, M. W.; Hubbard, C.; Ngo, E.; Ervin, M.; Wood, M.; Geyer, R. G.. (2002-07). «Structure–property relationships in pure and acceptor-doped Ba1−xSrxTiO3 thin films for tunable microwave device applications» Journal of Applied Physics 92 (1): 475–483.  doi:10.1063/1.1484231. ISSN 0021-8979. (Noiz kontsultatua: 2019-12-11).
  8. Paul, J.C.. «Breakdown of liquid dielectrics under the simultaneous application of both electric and magnetic field fields» [1991] Proceedings of the 3rd International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials (IEEE)  doi:10.1109/icpadm.1991.172045. ISBN 0-87942-568-7. (Noiz kontsultatua: 2019-12-11).
  9. Holtzer, Alfred M.. (1954-06). «The collected papers of Peter J. W. Debye. Interscience, New York-London, 1954. xxi + 700 pp., $9.50.» Journal of Polymer Science 13 (72): 548–548.  doi:10.1002/pol.1954.120137203. ISSN 0022-3832. (Noiz kontsultatua: 2019-12-11).

Kanpo estekak
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.