วัสดุถูกจัดประเภทเป็นตัวนำฉนวนและ เซมิคอนดักเตอร์ ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติการนำไฟฟ้า วัสดุทุกชนิดประกอบด้วยโมเลกุลซึ่งประกอบด้วยอะตอม เมื่ออยู่ภายใต้สนามไฟฟ้าอะตอมเหล่านี้ในวัสดุจะเกิดการกระจัดกระจายและการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติบางอย่าง ในเดือนตุลาคมปี 1745 การทดลองของ Ewald Georg von Kleist แห่งเยอรมนีโดยเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตแรงดันสูงกับน้ำปริมาตรที่เก็บในโถแบบมือถือโดยใช้สายไฟแสดงให้เห็นว่าสามารถเก็บประจุได้ จากปรากฏการณ์นี้ Pieter van Musschenbroek ได้คิดค้นตัวเก็บประจุตัวแรกที่เรียกว่า“ Leyden Jar” คุณสมบัติวัสดุใหม่ที่สนับสนุนการประดิษฐ์นี้คือ“ อิเล็กทริก”
อิเล็กทริกคืออะไร?
วัสดุทุกชนิดประกอบด้วยอะตอม อะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบและประจุบวก นิวเคลียสกลางของอะตอมมีประจุบวก ในวัสดุใด ๆ อะตอมจะถูกจัดเรียงเป็น ไดโพล แสดงด้วยประจุบวกและลบที่ส่วนท้าย เมื่อวัสดุเหล่านี้อยู่ภายใต้โมเมนต์ไดโพลสนามไฟฟ้าจะเกิดขึ้น
วัสดุตัวนำเริ่มดำเนินการเมื่อมีการใช้กระแสไฟฟ้า ฉนวนต่อต้านการไหลของกระแสไฟฟ้าเนื่องจากไม่มีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อิสระในโครงสร้าง แต่อิเล็กทริกเป็นฉนวนชนิดพิเศษที่ไม่นำไฟฟ้า แต่ได้รับโพลาไรซ์เมื่ออยู่ภายใต้กระแสไฟฟ้า
โพลาไรเซชันในอิเล็กทริก
ในวัสดุอิเล็กทริกเมื่ออยู่ภายใต้สนามไฟฟ้าประจุบวกที่มีอยู่ในวัสดุจะถูกเคลื่อนย้ายไปในทิศทางของสนามไฟฟ้าที่ใช้ ประจุลบจะเลื่อนไปในทิศทางตรงข้ามกับสนามไฟฟ้าที่ใช้ สิ่งนี้นำไปสู่อิเล็กทริกโพลาไรเซชัน ในวัสดุอิเล็กทริกประจุไฟฟ้าจะไม่ไหลผ่านวัสดุ โพลาไรซ์ช่วยลดสนามโดยรวมของอิเล็กทริก
คุณสมบัติของอิเล็กทริก
คำว่าอิเล็กทริกถูกนำมาใช้ครั้งแรกโดย William Whewell เป็นการผสมระหว่างคำสองคำ - 'Dia' และ 'electric' การนำไฟฟ้าของอิเล็กทริกที่สมบูรณ์แบบเป็นศูนย์ อิเล็กทริกเก็บและกระจายพลังงานไฟฟ้าคล้ายกับตัวเก็บประจุในอุดมคติ คุณสมบัติหลักบางประการของวัสดุอิเล็กทริก ได้แก่ ความไวต่อไฟฟ้า, โพลาไรซ์ของอิเล็กทริก, การกระจายตัวของอิเล็กทริก, การคลายตัวของอิเล็กทริก, ความสามารถในการปรับแต่ง ฯลฯ ...
ความไวต่อไฟฟ้า
วัสดุอิเล็กทริกสามารถเปลี่ยนขั้วได้ง่ายเพียงใดเมื่ออยู่ภายใต้สนามไฟฟ้านั้นวัดได้จากความไวทางไฟฟ้า ปริมาณนี้ยังกำหนดความสามารถในการซึมผ่านไฟฟ้าของวัสดุ
อิเล็กทริกโพลาไรเซชัน
โมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าเป็นการวัดการแยกประจุลบและประจุบวกในระบบ ความสัมพันธ์ระหว่างไดโพลโมเมนต์ (M) และสนามไฟฟ้า (E) ก่อให้เกิดคุณสมบัติของอิเล็กทริก เมื่อสนามไฟฟ้าที่ใช้ถูกขจัดออกไปอะตอมจะกลับสู่สภาพเดิม สิ่งนี้เกิดขึ้นในลักษณะการสลายตัวแบบเอ็กซ์โพเนนเชียล เวลาที่อะตอมนำไปสู่สภาพเดิมเรียกว่าเวลาผ่อนคลาย
โพลาไรซ์รวม
มีสองปัจจัยที่ตัดสินการโพลาไรซ์ของอิเล็กทริก พวกมันคือการก่อตัวของไดโพลโมเมนต์และการวางแนวเทียบกับสนามไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับประเภทไดโพลเบื้องต้นอาจมีได้ทั้งโพลาไรซ์แบบอิเล็กทรอนิกส์หรือโพลาไรซ์ไอออนิก โพลาไรซ์อิเล็กทรอนิกส์ Pคือเกิดขึ้นเมื่อโมเลกุลอิเล็กทริกที่สร้างโมเมนต์ไดโพลประกอบด้วยอนุภาคที่เป็นกลาง
โพลาไรซ์ไอออนิก Pผมและโพลาไรซ์แบบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งสองไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ โมเมนต์ไดโพลถาวรเกิดขึ้นในโมเลกุลเมื่อมีการกระจายประจุแบบอสมมาตรระหว่างอะตอมต่างๆ ในกรณีเช่นนี้โพลาไรซ์เชิงทิศทาง Pหรือเป็นที่สังเกต หากมีประจุไฟฟ้าฟรีอยู่ในวัสดุอิเล็กทริกมันจะนำไปสู่โพลาไรเซชันประจุอวกาศ Pเอส. โพลาไรเซชันทั้งหมดของอิเล็กทริกเกี่ยวข้องกับกลไกเหล่านี้ทั้งหมด ดังนั้นโพลาไรเซชันทั้งหมดของวัสดุอิเล็กทริกคือ
ปรวม= ปผม+ ปคือ+ ปหรือ+ ปเอส
การกระจายตัวของอิเล็กทริก
เมื่อ P คือโพลาไรเซชันสูงสุดที่อิเล็กทริกบรรลุ tรเป็นเวลาผ่อนคลายสำหรับกระบวนการโพลาไรซ์เฉพาะกระบวนการโพลาไรซ์อิเล็กทริกสามารถแสดงเป็น
P (เสื้อ) = P [1-exp (-t / tร)]
เวลาผ่อนคลายแตกต่างกันไปสำหรับกระบวนการโพลาไรซ์ที่แตกต่างกัน โพลาไรซ์แบบอิเล็กทรอนิกส์นั้นเร็วมากตามด้วยโพลาไรซ์ไอออนิก โพลาไรเซชันปฐมนิเทศช้ากว่าโพลาไรซ์ไอออนิก โพลาไรเซชันของประจุไฟฟ้าช้ามาก
การสลายตัวของอิเล็กทริก
เมื่อมีการใช้สนามไฟฟ้าที่สูงขึ้นฉนวนจะเริ่มดำเนินการและทำหน้าที่เป็นตัวนำ ในสภาวะเช่นนี้วัสดุอิเล็กทริกจะสูญเสียคุณสมบัติเป็นฉนวน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Dielectric Breakdown มันเป็นกระบวนการที่เปลี่ยนกลับไม่ได้ สิ่งนี้นำไปสู่ความล้มเหลวของวัสดุอิเล็กทริก
ประเภทของวัสดุอิเล็กทริก
ไดอิเล็กทริกถูกจัดประเภทตามประเภทของโมเลกุลที่มีอยู่ในวัสดุ ไดอิเล็กทริกมีสองประเภท - ไดอิเล็กทริกเชิงขั้วและไดอิเล็กทริกที่ไม่มีขั้ว
อิเล็กทริกเชิงขั้ว
ในอิเล็กทริกเชิงขั้วจุดศูนย์กลางมวลของอนุภาคบวกไม่ตรงกับจุดศูนย์กลางมวลของอนุภาคลบ ที่นี่มีโมเมนต์ไดโพลอยู่ โมเลกุลมีรูปร่างไม่สมมาตร เมื่อสนามไฟฟ้าถูกนำไปใช้โมเลกุลจะปรับตัวให้เข้ากับสนามไฟฟ้า เมื่อสนามไฟฟ้าถูกลบโมเมนต์ไดโพลแบบสุ่มจะถูกสังเกตและโมเมนต์ไดโพลสุทธิในโมเลกุลจะกลายเป็นศูนย์ ตัวอย่างเช่น H2O, CO2 ฯลฯ ...
อิเล็กทริกที่ไม่มีขั้ว
ในไดอิเล็กทริกที่ไม่มีขั้วจุดศูนย์กลางมวลของอนุภาคบวกและอนุภาคลบเกิดขึ้นพร้อมกัน ไม่มีโมเมนต์ไดโพลในโมเลกุลเหล่านี้ โมเลกุลเหล่านี้มีรูปร่างสมมาตร ตัวอย่างของไดอิเล็กทริกที่ไม่มีขั้ว ได้แก่ H2, N2, O2 ฯลฯ ...
ตัวอย่างของวัสดุอิเล็กทริก
วัสดุอิเล็กทริกอาจเป็นของแข็งของเหลวก๊าซและสุญญากาศ ไดอิเล็กทริกที่เป็นของแข็งถูกนำมาใช้อย่างมากในวิศวกรรมไฟฟ้า ตัวอย่างของไดอิเล็กทริกที่จำหน่าย ได้แก่ เครื่องเคลือบดินเผาเซรามิกแก้วกระดาษ ฯลฯ ... อากาศแห้งไนโตรเจนกำมะถันเฮกซาฟลูออไรด์และออกไซด์ของโลหะหลายชนิดเป็นตัวอย่างของไดอิเล็กทริกที่เป็นก๊าซ น้ำกลั่นน้ำมันหม้อแปลงเป็นตัวอย่างทั่วไปของอิเล็กทริกเหลว
การใช้วัสดุอิเล็กทริก
การประยุกต์ใช้ไดอิเล็กทริกบางส่วนมีดังนี้ -
- สิ่งเหล่านี้ใช้สำหรับการจัดเก็บพลังงานใน ตัวเก็บประจุ .
- เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จึงใช้วัสดุอิเล็กทริกที่มีการอนุญาตสูง
- อิเล็กทริกถูกใช้ใน จอแสดงผลคริสตัลเหลว
- อิเล็กทริกเซรามิกใช้ในอิเล็กทริกเรโซเนเตอร์ออสซิลเลเตอร์
- ฟิล์มบางแบเรียมสตรอนเทียมไททาเนตเป็นอิเล็กทริกที่ใช้ในอุปกรณ์ปรับคลื่นไมโครเวฟซึ่งให้ความสามารถในการปรับแต่งได้สูงและกระแสไฟรั่วต่ำ
- Parylene ใช้ในการเคลือบอุตสาหกรรมทำหน้าที่เป็นตัวกั้นระหว่างพื้นผิวและสภาพแวดล้อมภายนอก
- ในระบบไฟฟ้า หม้อแปลง น้ำมันแร่ใช้เป็นอิเล็กทริกเหลวและช่วยในกระบวนการทำความเย็น
- น้ำมันละหุ่งใช้ในตัวเก็บประจุแรงดันสูงเพื่อเพิ่มค่าความจุ
- Electrets ซึ่งเป็นวัสดุอิเล็กทริกที่ผ่านกรรมวิธีพิเศษทำหน้าที่เป็นไฟฟ้าสถิตเทียบเท่ากับแม่เหล็ก
คำถามที่พบบ่อย
1). การใช้อิเล็กทริกในตัวเก็บประจุคืออะไร?
อิเล็กทริกที่ใช้ในตัวเก็บประจุช่วยลดสนามไฟฟ้าซึ่งจะทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลงซึ่งจะเป็นการเพิ่มความจุ
2). วัสดุอิเล็กทริกชนิดใดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในตัวเก็บประจุ?
ในตัวเก็บประจุจะใช้วัสดุอิเล็กทริกเช่นแก้วเซรามิกอากาศไมก้ากระดาษฟิล์มพลาสติก
3). วัสดุใดมีความเป็นฉนวนสูงที่สุด
สูญญากาศที่สมบูรณ์แบบขึ้นชื่อว่ามีความเป็นฉนวนสูงสุด
4). ฉนวนทั้งหมดเป็นอิเล็กทริกหรือไม่?
ไม่ถึงแม้ว่าไดอิเล็กทริกจะทำงานเป็นฉนวน แต่ก็ไม่ใช่ว่าฉนวนทั้งหมดจะเป็นอิเล็กทริก
ดังนั้นไดอิเล็กทริกจึงเป็นส่วนสำคัญของตัวเก็บประจุ วัสดุอิเล็กทริกที่ดีควรมีค่าคงที่ของอิเล็กทริกที่ดีความเป็นฉนวนความสูญเสียต่ำเสถียรภาพอุณหภูมิสูงเสถียรภาพในการจัดเก็บสูงการตอบสนองต่อความถี่ที่ดีและควรแก้ไขได้กับกระบวนการทางอุตสาหกรรม อิเล็กทริกยังมีบทบาทสำคัญในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูง การวัดคุณสมบัติเป็นฉนวนของวัสดุให้ข้อมูลเกี่ยวกับลักษณะทางไฟฟ้าหรือแม่เหล็ก ค่าคงที่อิเล็กทริกคืออะไร?
