Dielektrická konštanta v elektronike

Dielektrická konštanta v elektronike
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  307 zobrazení
3
 0
Rádioamatérov almanach
   

Koncept dielektrickej konštanty bol predstavený britským fyzikom Michaelom Faradayom v roku 1830, ktorý začal skúmať vlastnosti izolátorov a dielektrík. V roku 1885 vynálezca Oliver Heaviside definoval permitivitu ako súčin dielektrickej konštanty a permitivity vakua teda ε = εr * ε0, kde εr je relatívna permitivita materiálu a ε0 je permitivita vákua.

Významným krokom v rozvoji poznatkov o dielektrických materiáloch bolo objavenie vlastností oxidu kremičitého ako dielektrika v roku 1952 Jackom St. Clair Kilbym, ktorý vynašiel prvý integrovaný obvod. V priebehu 20. storočia boli objavené a zdokonalené rôzne dielektrické materiály s rôznymi hodnotami permitivity, ktoré sa používajú v elektrotechnike a elektronike.

Dielektrická konštanta alebo tiež permitivita je veľmi dôležitý parameter v elektrických a elektronických aplikáciách. Tento parameter definuje schopnosť dielektrika uchovávať elektrický náboj a interakciu s elektrickým poľom. V tomto článku sa pozrieme na dielektrickú konštantu, jej definíciu, meranie a aplikácie v elektronike.

Definícia Dielektrickej konštanty

Dielektrická konštanta alebo permitivita je číslo, ktoré charakterizuje schopnosť dielektrika uchovávať elektrický náboj a interagovať s elektrickým poľom. Dielektrická konštanta látky alebo materiálu je mierou jej schopnosti uchovávať elektrickú energiu. Vyjadruje, do akej miery materiál zadržiava alebo koncentruje elektrický tok. Matematicky je dielektrická konštanta pomerom permitivity materiálu k permitivite voľného priestoru. Je to pomerná konštanta medzi elektrickým polom v dielektriku a indukovanou polarizáciou v dielektriku. Dielektrická konštanta sa označuje písmenom ε a definuje sa ako:

ε = ε0 x εr

kde ε0 je permitivita vákua (8,854 x 10 -12 F / m) a εr je relatívna permitivita dielektrika. Relatívna permitivita dielektrika je pomerná konštanta medzi dielektrickou konštantou materiálu a permitivitou vákua. εr sa uvádza bez jednotiek.

Rez viacvrstvovým kondenzátorom

Existuje niekoľko spôsobov, ako merať dielektrickú konštantu. Jedným z najbežnejších spôsobov je pomocou kapacitného merania, ktoré sa vykonáva pomocou merania kapacity. Meračom kapacity sa dá ľahko meriať kapacita vzorky a z kapacity vzorky sa potom vypočíta dielektrická konštanta.

Tabuľka Dielektrických Konštánt niektorých materiálov

V tabuľke nižšie uvádzame niektoré materiály a ich dielektrické konštanty.

Materiál Dielektrická konštanta
Vzduch 1,0006
Vákuum 1
Keramika 4 - 7
Sklo 4 - 7
Polykarbonát 2,8 - 3,8
Polystyrén 2,5 - 2,7
Nylon 3,7 - 8
Voda 80
Kremeň 3,7 - 4,5

 

Aplikácie Dielektrickej Konštanty v Elektronike

Dielektrická konštanta má mnoho aplikácií v elektronike. Niektoré z týchto aplikácií zahŕňajú:

Výroba kondenzátorov - Dielektrická konštanta je kľúčovým parametrom pri výrobe kondenzátorov. Kondenzátor je elektrický prvok, ktorý uchováva elektrický náboj medzi dvoma elektricky vodivými doskami oddelenými dielektrickou vrstvou. Dielektrická konštanta materiálu, ktorý sa používa ako dielektrická vrstva v kondenzátore, určuje kapacitu kondenzátora a jeho vlastnosti.

Návrh antén - Rovnako aj tu je Dielektrická konštanta dôležitým parametrom najmä pri návrhu a výrobe antén. Antény sú zariadenia, ktoré sú navrhnuté na prijímanie alebo vysielanie rádiových vĺn. Dielektrická konštanta materiálu použitého na výrobu antény ovplyvňuje charakteristiky antény, ako je napríklad jej účinnosť a šírka pásma.

Výroba mikročipov a integrovaných obvodov - Dielektrický materiál sa používa na izoláciu medzi rôznymi vodičmi a zariadeniami na mikročipe alebo integrovanom obvode. Dielektrická konštanta materiálu ovplyvňuje vlastnosti týchto izolátorov, ako je napríklad dielektrická pevnosť, koncentrácia elektrického poľa a izolačná odolnosť.

Výroba elektrických káblov - Elektrický kábel sa skladá z vodičov, ktoré sú oddelené dielektrickou vrstvou. Dielektrická konštanta materiálu použitého na výrobu dielektrického obalu kábla priamo ovplyvňuje jeho vlastnosti, ako je napríklad impedancia a prenosová šírka pásma pri vysokofrekvenčných kábloch a vodičoch.

Vzorce pre výpočet Dielektrickej Konštanty

Pri niektorých aplikáciách je potrebné vypočítať dielektrickú konštantu na základe známych parametrov materiálu. Nasledujúce vzorce ukazujú niektoré z týchto výpočtov:

  1. Pre vzduch:

εr = 1

  1. Pre kovové dosky s dielektrickou vrstvou:

C = ε x A / d

ε = C x d / A

kde C je kapacita, A je plocha dosky, d je hrúbka dielektrickej vrstvy a ε je dielektrická konštanta materiálu.

  1. Pre výpočet dielektrickej konštanty na základe indexu lomu a magnetickej permeability:

εr = n2 x μ0 / μr

kde n je index lomu, μ0 je magnetická permeabilita vákua a μr je magnetickej permeabilita materiálu.

  1. Pre výpočet dielektrickej konštanty pomocou merača kapacity:

εr = C / C0

kde C0 je kapacita kondenzátora s vakuum ako dielektrickou vrstvou a C je kapacita kondenzátora s daným materiálom ako dielektrickou vrstvou.

Relatívnu dielektrickú konštantu εr dielektrika v paralelnej doske kruhového kondenzátora možno vypočítať pomocou nasledujúcej kalkulačky.

Alebo opačne, pokiaľ poznáme premenné pre Relatívnu dielektrickú konštantu εrm, polomer kondenzátora a hrúbku dielektrika. Všimnite si, že hodnoty výsledku sú síce približné, no pomerne presné.

Tabuľka hodnôt Dielektrickej Konštanty

V tabuľkách nižšie sú uvedené hodnoty dielektrickej konštanty pre niektoré bežné materiály používané v elektronike:

Materiál Dielektrická konštanta
Vzduch 1
Vákuum 1
Teflon 2,1 - 2,4
Sklenené vlákno 4 - 8
Oxid kremíka 3,9 - 4,3
PVC 3,1 - 3,3
Mica 3 - 6
Elektroaktívne polyméry 2 - 12
Polyetylén 2,25 - 2,36
FR - 4 4,4 - 5,4
Epoxidová živica 3,7-4,8

Hodnoty dielektrickej konštanty pre daný materiál môžu byť ovplyvnené rôznymi faktormi, ako je napríklad teplota, vlhkosť, frekvencia a tlak. Preto je dôležité vedieť, aké podmienky boli použité pri meraní dielektrickej konštanty pre daný materiál.

Zhrnutie

Dielektrická konštanta je dôležitým parametrom pre mnoho aplikácií v elektronike, vrátane výroby kondenzátorov, návrhu antén, výroby mikročipov a integrovaných obvodov a výroby elektrických káblov. Pri niektorých aplikáciách je potrebné vypočítať dielektrickú konštantu na základe známych parametrov materiálu. V tabuľkách sú uvedené hodnoty dielektrickej konštanty pre niektoré bežné materiály používané v elektronike. Hodnoty dielektrickej konštanty pre daný materiál môžu byť ovplyvnené rôznymi faktormi, ako je napríklad teplota, vlhkosť, frekvencia a tlak.

Informácia : Pokiaľ sa vám článok páčil, informácie v ňom boli pre vás užitočné a máte záujem o viac takýchto článkov, podporte drobnou sumou jeho autora. Ďakujeme
Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 300.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

       

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vaša reklama na tomto mieste

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo

ourpcb Promo

PCBWay Promo

ourpcb Promo

PCBWay Promo

ourpcb Promo


Webwiki Button