Dielektryk, izolator elektryczny – materiał, w którym bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny . Może to być rezultatem niskiej koncentracji ładunków swobodnych , niskiej ich ruchliwości , lub obu tych czynników równocześnie. Oporność właściwa dielektryków jest większa od 10⁶ Ωm (dla dobrych przewodników, np. metali, wynosi 10⁻⁸–10⁻⁶ Ωm).

Dielektryk w polu elektrycznym

W dielektrykach ładunki związane mogą w pewnym zakresie przemieszczać się. Rodzaj i skala tych przemieszczeń decydują o własnościach elektrycznych dielektryka. Jeżeli w polu elektrycznym (elektrostatycznym) znajdzie się przewodnik , (w którym nie płynie prąd elektryczny), to ładunki swobodne przesuną się tak, że wewnątrz ciała nie będzie pola elektrycznego. W dielektryku ładunki nie mogą się swobodnie przesuwać, ale może dojść do przesunięcia się ładunków elektrycznych dodatnich względem ujemnych (powstaną dipole elektryczne). Zjawisko to nazywamy polaryzacją dielektryka . Makroskopowo postrzegamy to zjawisko jako gromadzenie się ładunków na powierzchni dielektryka (obojętnego jako całość), ładunki te zmniejszają pole elektryczne w dielektryku w stosunku do zewnętrznego pola elektrycznego (wektor E), co można opisać jako występowanie w dielektryku dodatkowego pola elektrycznego (wektor D) zwanego polem indukcji elektrycznej .

Jeżeli dielektryk jest izotropowy , to wektory E i D mają ten sam kierunek i dla wielu substancji przy niezbyt dużym polu elektrycznym i przy niezbyt dużych częstotliwościach zmian pola (E) indukowane pole (D) jest proporcjonalne do pola zewnętrznego, współczynnik proporcjonalności (ε) jest nazywany przenikalnością elektryczną substancji i jest wielkością charakterystyczną dla danej substancji.

W praktyce nie istnieją idealne dielektryki, te rzeczywiste charakteryzują się rezystancjami rzędu GΩ ( giga om ). W wyniku tego w każdym dielektryku występują tzw. straty dielektryczne , co z kolei powoduje np. straty mocy podczas przesyłu energii elektrycznej liniami wysokiego napięcia , gdzie dielektrykiem jest głównie powietrze .

Dodatkowym problemem jest to, że dla każdego rzeczywistego dielektryka istnieje pewne napięcie przebicia , powyżej którego przez dielektryk płynie prąd – dla dielektryków stałych (tzn. niegazowych i niepłynnych), oznacza to trwałe uszkodzenie ich własności izolacyjnych.

Mikroskopowe (fizyczne) definicje dielektryka

Ze względu na to, że przewodność materiałów zmienia się w sposób ciągły, nie istnieje jedna granica wartości przewodności, poniżej której wszystkie materiały byłyby dielektrykami. Stosowane są różne definicje izolatora oparte na mikroskopowym mechanizmie przewodnictwa.

Na przykład dielektrykiem określa się substancję, dla której:

• poziom Fermiego leży pomiędzy pasmami walencyjnym i przewodnictwa ( pasmowa teoria przewodnictwa ).
• przewodność rośnie wraz z temperaturą , w przeciwieństwie do metalu , gdzie przewodność maleje ze wzrostem temperatury.

W tym kontekście często półprzewodniki kategoryzowane są jako izolatory.

Efekty fizyczne

Niektóre dielektryki ze względu na złożoną zależność polaryzacji od przyłożonego pola i innych parametrów układu wykazują liczne efekty fizyczne, które można wykorzystać w bardzo różnorodny sposób. Jeśli dielektryk nie ma symetrii inwersji to może wykazywać efekt piezoelektryczny . Efekt piezoelektryczny polega na występowaniu zależności między naprężeniami i polaryzacją dielektryka. Biorąc pod uwagę prawo Hooke'a można te zależności przenieść na odkształcenie ośrodka. Można więc użyć przetwornika piezoelektrycznego do pomiaru naprężeń, lub małych przemieszczeń. Jeśli przyczepi się do przetwornika znaną masę to można użyć go do pomiaru przyśpieszeń. Można też stosując efekt piezoelektryczny odwrotny uzyskać małe przesunięcia przykładając do dielektryka pole. Jest to podstawą na przykład mikroskopii bliskich oddziaływań. Mimo że przesunięcia nie są duże, to uzyskane siły są znaczne. Umożliwia to przestrajanie nawet ciężkich elementów optycznych z dużą dokładnością.

Jeśli ośrodek nie ma symetrii inwersji, i w dodatku wykazuje spontaniczną polaryzację może wystąpić w nim efekt piroelektryczny. Efekt piroelektryczny polega na powstaniu polaryzacji wskutek zmiany temperatury kryształu. Umożliwia to między innymi obrazowanie w dalekiej podczerwieni, jest to również efekt używany w pasywnych czujnikach ruchu .

Kolejnym znaczącym efektem jest efekt elektrooptyczny. Polega on na występowaniu wymuszonej przyłożonym polem elektrycznym dwójłomności. Prowadzi to do obrotu płaszczyzny polaryzacji przechodzącego przez ośrodek światła, przy czym kąt obrotu zależy od przyłożonego pola. Dielektryk taki w połączeniu z polaryzatorem może służyć do modulacji wiązki z dużą szybkością. Jeśli zamiast polaryzatora wprowadzi się polaryzującą płytkę światłodzielącą można polem elektrycznym sterować kierunkiem wiązki. Znajduje to zastosowanie na przykład we wzmacniaczach optycznych dla laserów femtosekundowych.

Występuje też w dielektrykach cała gama efektów nieliniowych które mają bardzo szerokie zastosowania w spektroskopii laserowej, na przykład do uzyskania promieniowania o innych długościach fali czy też poszerzenia widma.

Zastosowania w technice

Materiały elektroizolacyjne stosowane w technice to:

• szkło ,
• ceramika ,
• guma , ale nie każdy rodzaj
• tworzywa sztuczne , np. polipropylen , polichlorek winylu
• drewno , ale suche, wilgoć obniża własności izolacyjne
• olej transformatorowy , polichlorowane bifenyle , nafta
• powietrze , ale suche, wilgoć obniża własności izolacyjne
• próżnia ,
• sześciofluorek siarki ,
• elektret

Ciekawostką jest, że czysta chemicznie, tzn. wolna od soli mineralnych i bakterii woda też jest dobrym izolatorem ( rezystywność do 20 MΩ/cm).

Najistotniejszymi parametrami technicznymi charakteryzującymi izolatory elektryczne są:

• przenikalność elektryczna
• napięcie przebicia – zwane czasem wytrzymałością elektryczną
• prąd upływu
• współczynnik strat dielektrycznych

Zobacz też

• pole elektromagnetyczne
• względna przenikalność elektryczna
• dipol
• przewodnictwo elektryczne
• przewodnik elektryczny
• półprzewodniki
• napięcie jonizacji
• wytrzymałość elektryczna
• przebicie elektryczne
• wyładowanie elektryczne
• model Hubbarda