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Volume 33: Pages 306-318, 2020
Theoretical and experimental basis for the super dielectric model of dielectric materials
Jonathan Phillipsa)
Naval Postgraduate School, Monterey, California 93950, USA
Two theories of the fields generated by charges on parallel plate capacitors, the standard model (SM) found in virtually all text books and the recently proposed super dielectric materialtheory (SDM-Theory), are described, and contrasted, in terms of theory and experimentally tested predictions. Only the SDM-Theory model is found to be consistent with thermodynamics, basic field theory, and experimental results. According to the SM, dielectrics in the volume between the electrodes of a parallel plate capacitor store the energy in a capacitor in the form of greatly, relative to the no dielectric case, increased electric field strength. This model is shown to be inconsistent with path independent changes in state property (e.g., voltage), and predicts, incorrectly, that dielectric material outside the volume between the electrodes will have no effect on any measurable properties such as capacitance and energy density. In contrast, according to SDM-Theory, a theory shown to be consistent with path independent changes in state properties, as well as “conservative field theory,” the increased stored energy in the presence of dielectrics is not associated with energy in fields, but rather it is due to the “extra” charges stored on the electrodes. The extra charge is required to create a given net field in the presence of a dielectric. Indeed, according to SDMTheory, the effect of dielectric material, because its polarization is opposite to the electrodes, reduces the net field at all points in space, including within the volume of the dielectric. This is the absolute opposite of the “action” of a dielectric predicated by the SM. In the SDM-Theory, at a given capacitor voltage, virtually identical net fields exist with and without a dielectric, but the capacitance (amount of stored charge) and stored energy, a linear function of the amount of stored charge, of the latter configuration can be many orders of magnitude greater. Moreover, SDM-Theory predicts, consistent with recent observations, that dielectric material external to the volume between electrodes should be nearly as effective at increasing capacitance, etc., as the same dielectric material between the electrodes.
Deux théories concernant les champs générés par des charges sur les condensateurs à plaques parallèles, le modèle standard (SM) présent pratiquement dans tous les textes, et la théorie de matériaux super diélectrique récemment proposée (théorie SDM), sont décrites, et contrastées, en termes de théorie et de prédictions expérimentalement testées. Seulement le modèle SDM est trouvé en accord avec la thermodynamique, la théorie de base du champ, et les résultats expérimentaux. Selon le modèle SM, les diélectriques dans le volume entre les électrodes d’un condensateur à plaque parallèle stockent l’énergie du condensateur en forme de champs électrique considérablement augmenté, par rapport au cas d’absence de diélectrique. Ce modèle s’avère d’être incompatible avec les changements de propriété d’état indépendants du chemin (par exemple, tension), et prédit, incorrectement, que le matériel diélectrique en dehors du volume entre les électrodes n’aura aucun effet sur des propriétés mesurables telles que capacitance et densité d’énergie. Au contraire, la théorie SDM, qui est compatible avec les changements de propriétés d’état indépendantes du chemin, ainsi que la théorie du ‘champ conservateur’, propose que l’énergie stockée accrue en présence de diélectriques n’est pas associée à l’énergie dans les champs, mais est plutôt due aux charges ‘supplémentaires’ stockées sur les électrodes. Ces charges supplémentaires sont nécessaires pour créer un champ net donné en présence d’un diélectrique. En effet, selon la théorie SDM, l’effet du matériau diélectrique, parce que sa polarisation est opposée aux électrodes, réduit le champ net dans tous les points de l’espace, y compris le volume du diélectrique. Ceci est l’opposé absolu de l' ‘action’ d’un diélectrique prédit par le SM. Selon la théorie SDM, pour une tension de condensateur donnée, des champs nets pratiquement identiques existent avec et sans diélectrique, mais la capacitance (quantité de charge stockée) et l’énergie stockée, fonction linéaire de la quantité de charge stockée, de cette dernière configuration peut être plus grands de plusieurs ordres de grandeur. En outre, la théorie SDM prédit, conformément aux observations récentes, que le matériel diélectrique externe au volume entre les électrodes devrait être presque aussi efficace pour augmenter la capacitance, etc. que le même matériel diélectrique entre les électrodes.
Key words: Dielectric Theory; Superdielectric Materials Theory; Capacitors; Energy Storage.
Received: March 16, 2020; Accepted: July 14, 2020; Published Online: August 11, 2020
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