Yukaridaki kapasitorde iki levha arasinda vakum vardi.
Iki levha arasina dielektrik malzeme koyalim.
Dielektrik malzeme yalitkan ozellik gosterir. Dolayisi ile elektronlarini sokup disariya alamadigimiz gibi yerindefn sokup dileketrik malzemenin bir baska kosesine de tasiyamayiz. Eeee o zaman dielektrik icinde ne olup bitiyor? Kapasite degeri neden artiyor?
Ben fazlaca gecikince, kendi araştırmanızla mesafe katetmiş olduğunuzu görebiliyorum. Bu yüzden, yazdıklarımın size hitap eder tarafı belki çok az kalmıştır veya belki hiç kalmamıştır. Yine de, DİELEKTRİK konusunu bir bütünlük içerisinde ve olabildiğince sadelikle yansıtıyor olması bakımından, özellikle yeni başlayan arkadaşlara yararlı olabilir umuduyla buraya ekliyorum.
Sizin aklınızı kurcalayan konu, "3.3." maddesinde yer alıyor; uzun uzun okumak istemezseniz, oraya sıçrayabilirsiniz.
Dielektrik Maddenin Kondansatörün Çalışmasına Etkisi / Katkısı
Şu alt başlıklar üzerinden, sistematik olarak gitmemiz uygun olacak:
1. Dielektrik madde nedir, ne değildir?
2. Kondansatörde neden kullanılır?
3. Kapasite artışına hangi yollarla etki eder?
3.1. Kondansatör plakaları arasındaki uzaklığa etkisi
3.2. Kondansatör plakalarının düz bir yüzey olma zorunluluğunu ortadan kaldırarak, yüzey artırımına katkısı
3.3. Atom/molekül yapısıyla getirdiği katkı
1. Dielektrik madde nedir, ne değildir?
Dielektrik madde, kondansatörün plakaları arasına yerleştirilen bir yalıtkan maddedir. Ancak; her dielektrik madde bir yalıtkan iken, her yalıtkan elverişli bir dielektrik madde kabul edilmez. Atomik yapısı belli koşulları sağlayan yalıtkan maddeler, dielektrik görevi için seçilirler. (Madde 3.3.'te bu konuya değinilecek)
Bir yanlış anlamayı önlemek için şunu eklemek zorundayız: Eğer kapasiteyi artırma ve boyutları küçültme amacında değilsek, aslında plakalar arasına herhangi bir yalıtkan madde koyabilir, hatta hava boşluğu da bırakabiliriz. Zaten, kapasitesi genellikle 300-400 pF'ları aşmayan ve fazla cüsseli havalı kondansatörler de bulunmaktadır.
Sonuç olarak; dielektrik madde bir yalıtkan olduğu için, üzerinden akım (elektronları) geçirmez ama uygulamada tercih edilen dielektrik maddeler sıradan yalıtkanlar da değildir.
2. Kondansatörde neden kullanılır?
Dielektrik maddenin kondansatörde kullanılması iki temel amaca yöneliktir:
a. Kondansatörün fiziksel boyutlarını artırmadan kapasite artışı sağlamak.
b. Her dielektrik madde tüm kullanım alanları için mükemmel sonuç vermediğinden, bu maddenin cinsini seçme yoluyla, o kondansatörü farklı kullanım alanları için daha uygun hâle getirebilmek.
Zaten, kondansatörleri sınıflandırmada kullanılan en önemli kıstaslardan biri, içerdiği dielektrik maddedir.
Türlere örnek: Seramik, mika, polyester, elektrolitik, tantal vb.
Kullanım alanlarına örnek: Radyo frekans(RF), kuplaj, kutupsuz filtreleme, kutuplu filtreleme vb.
3. Kapasite artışına hangi yollarla etki eder?
3.1. Kondansatör plakaları arasındaki uzaklığa etkisi
Bir kondansatörün kapasitesi, yani üzerinde elektrik yükü toplayabilme becerisi, karşılıklı iki plakasının birbirine yakınlığı ile doğru orantılıdır. Eğer iki plaka arasında boşluk ya da hava kullanılacak olsaydı, plakaların birbirine temas riski yüzünden aradaki mesafeyi çok fazla azaltmak mümkün olmayacaktı. Oysa, temas riskini ortadan kaldıran dielektrik madde çok ince imal edilebilmekte ve plakaların birbirine daha fazla yaklaşmasını sağlayarak kapasiteyi artırmaktadır.
3.2. Kondansatör plakalarının düz bir yüzey olma zorunluluğunu ortadan kaldırarak, yüzey artırımına katkısı
Yine, eğer iki plaka arasında boşluk ya da hava kullanılacak olsaydı, kondansatör plakalarını bükümlü yapmak ya hiç mümkün olmayacak ya da bu şans çok sınırlı kalacaktı. Gerekçe tabii ki yine plakaların birbirine temas riski. Oysa, çok esnek özellikteki dielektrik maddelerle, örneğin "rulo gibi" ya da "katlamalı tarzda", fazlaca bükümlü kondansatör plaka çiftleri üretilebilmekte. Bu ise, yine kondansatörün kapasite değerine doğru orantıyla etki eden "plaka alanı"nı fazlaca büyüterek, kapasite artırımı sağlamakta.
3.3. Atom/molekül yapısıyla getirdiği katkı
Bu aşamaya, elektrik alan etkisi altındaki dielektrik maddenin atom yapısında oluşan "dipolleşme"nin detay görselleri ile başlamak kolaylık sağlayacaktır:
Atomlarda elektron bulutu oluşumu ile kendini gösteren dipolleşme (kutuplaşma), aslında çok temel bir kuralın burada kendini göstermesinden ibaret: Zıt kutuplar birbirini çeker, aynı kutuplar birbirini iter.
Tabii dielektrik atomlarını "elektron bulutlaşması" aracılığıyla dipolleşmeye zorlayan gücün, plakalar üzerinde biriken (harici) yükler ve onların aradaki bölgede yarattığı elektrik alan olduğunu unutmamak gerekir.
Burada akla şu soru gelebilir: Peki bulutlaşmış elektronlar birbirini itip dağılmıyor mu?
Bu konu atom fiziğine girer ve beni aşar. Ancak, elektronların sabitçe bir arada durmayıp, ayrı ayrı kendi yörüngelerinde dönüyor olmaları bunu açıklayabilir sanıyorum. [Bu konu, itirazlara ve katkıya açık!]
Akılda tutulması gereken diğer bir konu, önce de belirttiğimiz gibi, her yalıtkanın atom yapısı bakımından bu tarz bir dipolleşmeye yatkın olmadığı.
Şimdi can alıcı soruya geldik...
Dipolleşme hangi mekanizma ile kapasite artışına neden oluyor?
Aslında her üçü de aynı olguyu yansıtmaya yönelik görsellerden de fark edileceği üzere; dipolleşmiş dielektrik molekülleri, plakalar arasındaki
GENEL ELEKTRİK ALANA zıt yönde ve onu zayıflatır tarzda bir İÇ ELEKTRİK ALAN oluşturuyor.
En basit hâliyle ;
Net alan = Brüt alan - Zayıflatıcı ters (iç) alan
şeklinde düşünebiliriz. Bu zayıflatıcı ters alanın değeri, aradaki maddenin dielektrik katsayısıyla (k) doğru orantılı. Elektrik alandaki bu zayıflama, onunla paralel olarak voltajda da eksilmeye yol açıyor.
C = Q / V
denklemini hatırlayarak devam edersek, voltajdaki azalmanın kapasiteyi (C) artırdığını görürüz.
Ama diğer yandan biz biliyoruz ki, kondansatörün ayaklarındaki gerilimi, onu besleyen kaynaktan veya devrenin yapısından bağımsız düşünme şansımız yok.
Yani, aslında pratikte gerçekleşen, görünürde bir voltaj düşümü değil, kaynağın o voltaj eksikliğini tamamlamak üzere kondansatöre daha fazla yük akıtması oluyor. Ki bu da yine kapasitenin artışı anlamına geliyor.
Bu görseldeki her iki şekil de, kapasite artışının oluş mekanizmasını açıklamaya yönelik.
(1) numaralı görsel, mavi renkli genel elektrik alan çizgilerinin, içerideki zıt alan nedeniyle belli ölçüde etkisizleşmesini gösteriyor. (Bir kısım genel alan çizgilerinin kesintiye uğrayıp, karşı plakaya ulaşamaması şeklinde bir simgesel gösterim tercih edilmiş.)
(2) numaralı görsel ise, genel elektrik alandaki zayıflamayı (eksilmeyi) normalde mavi ve kırmızı renkte olması gereken bir kısım yüklerin griye dönüşmesi şeklinde simgeleştirmiş.
Bu ikinci görsel ayrıca, KAPASİTE ARTIŞINI da simgelemek üzere; etkisini yitiren (grileşmiş) yüklerin yerine, plakalara mavi ve kırmızı renkli EKSTRA yüklerin gelebilmiş olmasını da görünür hâle getiriyor.
Yani, (2) numaralı görsel, kapasite artışını daha bütüncül şekilde simgeleme yeteneğine sahip.
Şimdi gündeme getireceğimiz ve bu konunun doğal bir uzantısı sayılabilecek kavram, aynı zamanda kondansatördeki yük depolama işleminde dielektrik maddenin rolüne de ışık tutabilecek nitelikte:
Dielectric Relaxation Time
Bunu Türkçeye bire bir çevirmek pek anlamlı olmayacak gibi. Onun yerine:
"Dielektriğin yükten kurtulma süresi" diyebiliriz belki.
Aslında ne ifade ettiğini de hemen hemen açıklamış olduk. Gerilim uygulandığında dielektriğin içinde oluşmuş olan dipollerin etkisini kaybedip, gerilimsiz andaki durumlarına geri dönmesi için geçen süre kastediliyor burada.
Tabii ki kondansatörde çalışma anında dipoller durağan hâlde olamazlar. En son, kondansatörün ayaklarından gerilim kaynağının ayrılması noktasından sonraki süreç anlatılmak isteniyor olsa gerek.
Bunun pratikte neye karşılık geldiğine ilişkin bilgi bulmakta zorlandım. Saniyeler mi, saatler mi, günler mi?..
Şu videoda bir Hintli arkadaş, metal ve "fused quartz" dielektrik maddesi için uzun uzun hesap yapıyor; sonunda dielektrik için 51.2 saat (2 gün) buluyor.
Relaxation Time| Dielectric Relaxation Time|Metal Relaxation Time
Dileyen veya bu anlatımı yetersiz bulan arkadaşlar, en azından buradakileri yol gösterici bir kılavuz gibi görüp, ayrıca belirttiğim kaynakları da kullanarak derinleşme yoluna gidebilirler.
Kaynaklar:
https://en.wikipedia.org/wiki/Dielectric
https://web.mit.edu/8.02t/www/802TEAL3D/visualizations/coursenotes/modules/guide05.pdf
https://courses.lumenlearning.com/suny-physics/chapter/19-5-capacitors-and-dielectrics/
(Türkçe alt yazı ile de izlenebiliyor)
.
