Định nghĩa

Vật liệu điện môi về cơ bản là chất cách điện, có nghĩa là không có dòng điện chạy qua vật liệu khi nó nhận được điện áp. Tuy nhiên, một số thay đổi xảy ra ở cấp độ nguyên tử. Khi voltage được cung cấp thông qua một vật điện môi. Vật thể có phân cực, vì nguyên tử được tạo thành từ một hạt nhân mang điện tích dương và một electron mang điện tích âm. Do đó, phân cực là một hiệu ứng làm dịch chuyển các electron một chút về phía điện áp dương. Các electron không di chuyển đủ xa để tạo ra dòng điện chạy qua vật liệu. Sự thay đổi này rất nhỏ, nhưng nó có tác dụng cực kỳ quan trọng, đặc biệt là khi nói đến tụ điện. Một khi voltage cung cấp được loại bỏ khỏi vật liệu. Vật thể sẽ trở lại trạng thái không phân cực ban đầu hoặc giữ trạng thái phân cực nếu các liên kết phân tử trong vật liệu yếu. Sự khác biệt giữa thuật ngữ điện môi và cách điện không quá rõ ràng. Tất cả các vật liệu điện môi đều cách điện, nhưng chất điện môi tốt là vật liệu dễ phân cực.

Lượng phân cực xảy ra khi một điện áp nhất định được đặt vào một vật thể, ảnh hưởng đến lượng năng lượng điện được lưu trữ trong điện trường. Điều này được giải thích bởi hằng số điện môi của vật liệu. Hằng số điện môi không phải là tính chất duy nhất của vật liệu điện môi. Các đặc tính khác như độ bền điện môi và tổn thất điện môi cũng quan trọng không kém khi chọn vật liệu cho tụ điện cho một ứng dụng nhất định.

Hằng số điện môi

Hằng số điện môi của vật liệu, còn được gọi là giá trị phụ cấp vật liệu. Nó đại diện cho khả năng của vật liệu để kết hợp các đường thông lượng tĩnh điện. Thực tế Giá trị này thể hiện khả năng lưu trữ năng lượng điện của vật liệu trong điều kiện có điện trường. Tất cả các vật liệu, bao gồm cả chân không, lưu trữ năng lượng khi ở trong điện trường. Giá trị cho phép của chân không được định nghĩa là hằng số vật lý ε0, xấp xỉ ε0 = 8.854 x 10-12 farad trên mét. Hằng số này xuất hiện trong nhiều công thức điện từ.

Bởi vì hầu hết các tụ điện Giá trị cho phép của vật liệu được định nghĩa là ε=εrε0, trong đó ε là giá trị tuyệt đối cho phép và er là giá trị tương đối cho phép. Tính năng này rất hữu ích trong hoạt động của tụ điện và chúng tôi sẽ giải thích thêm trong bài viết này. Hãy nhớ rằng giá trị cho phép tương đối phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất hoặc thậm chí tần số, đó là lý do tại sao vật liệu có hằng số điện môi ổn định hơn được ưa chuộng trong một số ứng dụng.

Mỗi vật liệu có một giá trị tương đối khác nhau của phụ cấp tương đối. Ở đây, Chúng tôi đã liệt kê các vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong tụ điện, với giá trị er ở tần số 1kHz ở nhiệt độ phòng. Điều này có thể được sử dụng như một tài liệu tham khảo nhanh và hiển thị một loạt các giá trị được tìm thấy trong thực tế:

Độ bền cách điện

Thật không may, có những hạn chế về điện áp mà cách điện có thể chịu được trước khi dẫn điện. Tất cả các vật liệu đều có giới hạn điện áp tối đa được gọi là điện áp đánh thủng. Không khí được coi là cách nhiệt, nhưng trong một số trường hợp, nó có thể đi qua. Đây là những gì thực sự xảy ra trong các trận sét đánh. Sau khi cường độ của trường sụp đổ vượt quá giới hạn. Không khí bị ion hóa (các electron bị xé ra khỏi hạt nhân của nguyên tử), và chúng bắt đầu di chuyển dưới tác động của điện trường, tạo thành dòng điện. Điều cực kỳ quan trọng là điện áp định mức tối đa của tụ điện không được vượt quá, để tránh hư hỏng hoặc thậm chí phá hủy hoàn toàn. Độ bền điện môi cho không khí là khoảng 3 megavolt trên mét. Để so sánh, độ bền điện môi của mica là khoảng 120 mv / m. Việc lựa chọn vật liệu điện môi đặc biệt quan trọng trong một số ứng dụng dự kiến có điện áp cao hoặc khi độ dày điện môi rất nhỏ.

Tổn thất điện môi

Thuật ngữ tổn thất điện môi đề cập đến năng lượng bị mất do sự nóng lên của một vật làm bằng vật liệu điện môi. Nếu một vol thay đổitage được cung cấp cho đối tượng, Những tổn thất này xảy ra do khi vật liệu thay đổi phân cực. Một sự dịch chuyển nhỏ của các electron có thể được coi là một dòng điện xoay chiều nhỏ. Mỗi vật liệu có tổn thất khác nhau ở các tần số khác nhau và đặc tính này phải được tính đến trong một số ứng dụng tần số cao.

Ứng dụng của vật liệu điện môi cho tụ điện

Để hiểu ảnh hưởng của chất điện môi đối với tụ điện, trước tiên chúng ta hãy xem nhanh công thức đã biết cho tụ điện tấm song song:

trong đó C là dung tích, εr là giá trị tương đối của vật liệu ε0. A là diện tích của tấm, và d là khoảng cách giữa các tấm. Công suất kết quả càng lớn. Ví dụ, không khí như một vật liệu có giá trị tương đối xấp xỉ 1, có nghĩa là không khí hoạt động như thể một tấm tụ điện được đặt trong chân không. Mặt khác, Việc sử dụng các vật liệu này giúp bạn có thể đạt được cùng một giá trị điện dung trong một khối lượng nhỏ hơn nhiều. Điều này mở ra cơ hội để trở nên nhỏ hơn.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét giá trị cách nhiệt. Giá trị điện môi của không khí là 3 megavolt trên mét, có nghĩa là điện áp tối đa mà tụ điện mẫu này có thể cung cấp là 300 vôn trong điều kiện tối ưu. Tụ điện càng nhỏ càng tốt. Điện áp tối đa cho phép càng thấp thì càng thấp. Tất cả các tụ điện đều có điện áp tối đa danh định, phụ thuộc vào vật liệu được sử dụng và nếu vượt quá các giá trị định mức này, nó có thể làm hỏng hoặc phá vỡ tụ điện.