Dielektrika

Fyzika normálních dielektrik

Praktická aplikace vlastností dielektrik


    Rozhodně nejběžnějším reálným využitím vlastností dielektrik v praxi je zvýšení kapacity kondenzátoru použitím vhodného dielektrického materiálu. Kondenzátor jako elektronický prvek je v současnosti tak rozšířen, že mohu s klidným svědomím prohlásit, že se s ním setkáváme několikrát denně. Je součástí valné většiny spotřební elektroniky a v současné době se vyrábí obrovské množství variant této součástky. Historie této součástky sahá až do 18. století, kdy byla sestavena první Leydenská láhev.
    Kondenzátor (zastarale nazývaný dnes obecnějším pojmem kapacitor) je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech k dočasnému uchování náboje, a tím i k uchování potenciální elektrické energie.
    Technické značení kondenzátoru je zobrazeno na obrázku níže.

Obrázek a) je značka pevného kondenzátoru, b) značí elektrolytický kondenzátor, c) je značka pro kapacitní trimr a obrázek d) je značka pro ladící kondenzátor

    Z fyzikálního hlediska se kondenzátorem nazývá libovolné vodivé těleso, které je zcela obklopeno jiným vodivým tělesem, přičemž obě tělesa jsou vzájemně izolována. Pokud je na těleso v dutině přiveden náboj Q, bude se na vnitřní straně dutiny druhého vodiče indukovat náboj -Q a na vnější části druhého vodiče náboj +Q. Vzniklé elektrostatické pole je uzavřeno v dutině mezi oběma vodivými tělesy, přičemž siločáry vycházejí z kladných nábojů na jednom vodiči a končí na záporných nábojích na druhém vodiči. Toto elektrostatické pole je nezávislé na vnějších polích. Je-li potenciál uvnitř dutiny  a potenciál vnějšího vodiče  , pak mezi oběma vodivými tělesy existuje napětí
        (1 - IX)
Pomocí kapacitních koeficientů dostaneme soustavu rovnic
        (2 - IX)
    Matice je však symetrická, takže platí . Pokud je náboj Q=0, bude potenciál vnitřního vodiče shodný s potenciálem vnitřní plochy dutiny, tzn. , což umožňuje určit, že . Veličina C představuje kapacitu kondenzátoru. Z uvedené soustavy rovnic pak plyne
        (3 - IX)
    Kapacita kondenzátoru je určena rozměry, tvarem a vzájemnou polohou vodičů, které označujeme jako elektrody kondenzátoru. Dielektrikum mezi deskami nedovolí, aby se částice s nábojem dostaly do kontaktu, a tím došlo k neutralizaci (vybití elektrických nábojů). Přitom dielektrikum svou polarizací zmenšuje intenzitu elektrického pole a umožňuje tak umístění většího množství náboje. Vzhledem k elektrostatické indukci je velikost náboje na obou deskách stejná.
    Z praktického hlediska je konstrukce kondenzátoru jakožto vodiče obklopeného jiným vodičem dosti nevhodná. V praxi používané kondenzátory jsou tedy konstruovány poněkud jinak. U takových kondenzátorů je podmínka, že jeden vodič je zcela uzavřen uvnitř druhého, splněna pouze přibližně, což má za následek, že tyto kondenzátory nejsou zcela nezávislé na vnějších polích a v místech, kde siločáry opouští prostor mezi elektrodami dochází k tzv. okrajovým efektům (jevům).
    Při zapojení kondenzátoru do obvodu se zdrojem stejnosměrného napětí se na deskách kondenzátoru začne hromadit elektrický náboj - kondenzátor se nabíjí. Nabíjení probíhá, dokud se nevyrovná elektrický potenciál na každé z desek s potenciálem příslušného zdroje. Po nabití je mezi deskami kondenzátoru stejné elektrické napětí jako mezi svorkami zdroje a obvodem neprochází elektrický proud.
    Jestliže se desky kondenzátoru vodivě propojí, elektrický náboj z desek se odvede, kondenzátor se vybije. Tento přesun elektrického náboje způsobí v obvodu elektrický proud. Vybíjecí proud může v případě malého odporu vybíjecího obvodu dosáhnout obrovských špičkových hodnot. To má většinou nejen škodlivé účinky na vybíjecí obvod a kondenzátor samotný, ale vede i k částečnému vyzáření jeho energie ve formě elektromagnetického rušení.
    V obvodu střídavého proudu se kondenzátor střídavě nabíjí a vybíjí, což má za následek předbíhání elektrického proudu před napětím (fázový posuv) a vznik kapacitance, tj. zdánlivého odporu proti průchodu střídavého proudu. Kapacita kondenzátoru spolu s indukčností cívky jsou předpokladem vzniku elektromagnetického kmitání - periodické změny elektrického pole na magnetické pole a opačně. Změnou kapacity lze dosáhnout změny frekvence elektromagnetických kmitů.
    Leydenská láhev je historicky první záměrně zkonstruovaný kondenzátor, který především v 18. století sloužil jako zásobník elektrického náboje při experimentech se statickou elektřinou. Leydenská láhev je obvykle skleněná nádoba, jejíž vnější i vnitřní povrch je polepen vodivým materiálem. Sklo nádoby slouží jako dielektrikum, které oba polepy odděluje. Z vnitřního polepu vede hrdlem láhve ven vodič, zakončený kovovou koulí. Leydenské láhve se obvykle nabíjely indukční elektřinou. Název získala láhev podle univerzity v Leydenu v Nizozemí, kde s ní experimentoval v roce 1746 Pieter van Musschenbroek. Nezávisle ji ale vytvořil o rok dříve německý fyzik Ewald Jürgen Georg von Kleist.
    
Obr. 1 - IX - Leidenská láhev
    Ideální kondenzátor je popsán jediným parametrem - kapacitou C. Reálný kondenzátor má svodový odpor , který je tvořen jak konečným odporem dielektrika, tak i ztrátami v dielektriku, proto je závislý na kmitočtu. I vodivost elektrod je omezená, proto má každý kondenzátor i sériový odpor . Vzhledem k tomu, že velmi častým tvarem elektrod jsou svitky, má kondenzátor i nezanedbatelnou indukčnost L.
    Reálný kondenzátor lze použít jen do frekvencí , pro které platí
, ,         (4 - IX)
Splnění první nerovnosti se hodnotí pomocí ztrátového úhlu , pro který platí
        (5 - IX)
Důležitým vedlejším parametrem je i maximální napětí, jehož překročení vede k průrazu dielektrika. To u některých kondenzátorů vede k trvalému zkratu elektrod, jsou však i typy s regenerační schopností.
    Kondenzátory lze dělit podle tvaru elektrod a podle použitého dielektrika. Kondenzátory deskové mají elektrody ve tvaru rovinných desek s plochou S, které jsou od sebe odděleny dielektrikem tloušťky d, jehož permitivita je rovna . Pak pro kapacitu takového kondenzátoru platí
        (6 - IX)
Ve starších publikacích je kapacita deskového kondenzátoru udávána ve tvaru

a měřena v centimetrech. Je to způsobeno tím, že absolutní soustava jednotek nebyla racionalizovaná.
    Válcové kondenzátory s poloměry vnitřní elektrody , vnější a s výškou l mají kapacitu
        (7 - IX)
Svitkové kondenzátory jsou přechod mezi deskovými a válcovými kondenzátory. Jsou tvořeny stočeným svitkem, který obsahuje čtyři fólie. Dvě z nich jsou dielektrikem, dvě elektrodami. V metalizovaném provedení jsou to vlastně dvě fólie, z nichž jedna je oboustranně pokoveným dielektrikem, druhá chrání elektrody (pokovené strany prvního dielektrika) před zkratem. Elektrody jsou většinou axiálně posunuty, aby bylo možné na podstavách válce, tvořícího svitek, okraje obou elektrod spájet, což výrazně sníží indukčnost, která by jinak při zapojení elektrod jen na vnějším poloměru byla značná (elektrody by vlastně tvořily cívku). Označíme-li šířku překrývající části obou elektrod b, délku fólie l, pak kapacita svitkového kondenzátoru je
        (8 - IX)
kde d je tloušťka dielektrika s permitivitou .
    Protože požadovaným maximálním napětím je zdola omezena tloušťka dielektrika d, je možné zvyšovat kapacitu při daných rozměrech jen velikostí permitivity . Protože , kde je permitivita vakua, je výhodné jako dielektrika použít látky s vysokou dielektrickou konstantou . Vzhledem k tomu, že dielektrika s vysokou relativní permeabilitou mají velké dielektrické ztráty a je výrazně závislé na teplotě, uplatňují se u kondenzátorů dielektrika, která představují kompromis (vysoká a vysoká dielektrická pevnost)
    Kondenzátory vzduchové mají zanedbatelné ztráty i při vysokých kmitočtech, nelze však dosahovat malých d, elektrody musí být mechanicky pevné a dosahuje se jen velmi malých kapacit - například pro . Vzduchové kondenzátory se proto uplatňují prakticky jen v rozhlasových a televizních vysílačích.
    Slídové kondenzátory používají jako dielektrika slídu s od 3 do 7 (podle naleziště). Poměrně malá hodnota a nevhodné mechanické vlastnosti dielektrika (nedá se stáčet do svitků) jsou vyváženy dlouhodobou stabilitou, malou teplotní závislostí a velmi malým ztrátovým úhlem .
    Papírové kondenzátory se konstruují výhradně jako svitkové. Svitek může mít tvar válce, ale může být i zploštělý. V prvním případě se zalévají do vhodného reaktoplastu, v druhém se umisťují do kovových krabic (krabicové kondenzátory). Dielektrikum tvoří impregnovaný papír. Ztrátový úhel je řádu , kmitočtová použitelnost závisí na provedení vývodů. Prostorově úspornější je provedení MP (metalizovaný papír).
    Kondenzátory s dielektrikem z umělých hmot (polystyrén, polyester) se mohou vyrábět ve svitkovém provedení, podobně jako kondenzátory papírové, mají však lepší ztrátový činitel . Mohou se však, podobně jako slídové kondenzátory, vyrábět se sendvičovou strukturou, na rozdíl od slídových kondenzátorů mohou však obsahovat až několik set vrstev.
    Značně širokého spektra dielektrik používají kondenzátory keramické. Keramická dielektrika jsou materiály s velmi širokým rozsahem dielektrické konstanty od 6 (porcelán), 7 (steatit) až do hodnot řádu . Materiály s nejvyššími hodnotami jsou feroelektrika, mají proto poměrně nízkou hodnotu rezistivity (okolo proti u keramik s nízkou dielektrickou konstantou). Navíc je jejich dielektrická konstanta (a tím i kapacita) výrazně závislá na teplotě.
    Kapacity běžných slídových kondenzátorů dosahují do 10 nF, keramické do, papírové a umělohmotné do . Větších kapacit při malých rozměrech dosahují jen kondenzátory elektrolytické. Základ elektrolytického kondenzátoru tvoří do svitku stočený plech z vhodného materiálu (nejčastěji hliník, ale i tantal nebo titan). Povrch tohoto kovového svitku se při výrobě naleptá, na povrchu se vytvoří houbovitá struktura, čímž se mnohonásobně zvětší povrchová plocha. Vytvořit dielektrikum na takto složitě tvarované ploše je možné jen oxidací. Na hliníkovém plechu se vytvoří vrstva , což je dielektrikum s poměrně dobrými dielektrickými vlastnostmi: , dielektrická pevnost 15 kV/mm. Tloušťka vrstvy oxidu se volí podle požadované hodnoty maximálního napětí. Druhá elektroda takového kondenzátoru nemůže být vzhledem ke složitosti povrchu kovová. Tvoří ji elektrolyt v kapalné nebo pastovité podobě, který je spolu s oxidovaným plechem uzavřen do kovového pouzdra, na které se přivádí druhý vývod kondenzátoru. K snížení sériového odporu se pouzdro spojuje s dalším plechem, který je stočen do svitku společně s plechem obsahujícím dielektrikum. Vnější pouzdro může být vyrobeno i z umělé hmoty, použitelná polarita je naznačena znaménky +,- u jednotlivých vývodů. Dielektrikum se vytváří formovacím procesem, při kterém se na leptaný plech přivádí kladný pól vnějšího zdroje napětí. Elektrolytické kondenzátory není proto možné použít při opačné polaritě napětí, než které mělo napětí formovací, došlo by k postupnému zániku dielektrika, k uvolňování plynů a případně i k roztržení pouzdra vzniklým přetlakem. Aby případný přetlak nedosahoval nebezpečně vysokých hodnot, opatřují se kovová pouzdra bezpečnostním ventilem, který je nejčastěji tvořen gumovou fólií. Elektrolytické kondenzátory se tedy dají použít jen pro napětí s naznačenou polaritou. Tato polarita se vyznačuje i ve schématické značce. Pokud chceme použít kondenzátor i pro střídavá napětí bez superpozice na stejnosměrné napětí povolené polarity (například jako rozběhový kondenzátor do pomocných fází jednofázových motorů), mohou se dva kondenzátory zapojit antiseriově.
    Elektrolytické kondenzátory dosahují kapacit přes 100 mF, existují i speciální kondenzátory na malá napětí, jejichž kapacity dosahují několika faradů při rozměrech několika centimetrů. Vlivem technologie (obtížně kontrolovatelný proces leptání a oxidace) mají vyráběné elektrolytické kondenzátory velké výrobní tolerance, například -10 až 100%. Kapacity jsou navíc časově nestabilní (tloušťku dielektrika může ovlivnit i krátkodobé přepólování) a vysycháním elektrolytu se časem postupně zvyšuje sériový odpor . Kapacita je rovněž výrazně závislá na teplotě. Ztrátový úhel se pro různé typy a kmitočty superponovaného napětí pohybuje od do .
    Kondenzátory s proměnnou kapacitou - ladící kondenzátory a kapacitní trimry se používají k nastavení rezonančního kmitočtu LC obvodů. Tvoří je jeden nebo několik párů kovových desek ve tvaru polokruhu, vzájemně otočně uložených. Pootočením soustavy pohyblivých desek se zvětšuje nebo zmenšuje sdílená plocha S elektrod, tím se mění kapacita. Kapacitní trimry mohou být provedeny i jako kondenzátory válcové se skleněným dielektrikem. Vnitřní kovový válec je spojen se šroubem, jehož otáčením v pevné matici se válec axiálně posouvá a mění tím velikost sdílené plochy s vnějším válcovým plechem. Maximální hodnoty kapacit takových trimrů jsou velmi malé - do několika pF. Ladící kondenzátory, pokud mají dosáhnout větších kapacit jsou velmi rozměrné, proto jsou dnes nahrazovány kapacitními diodami.