ไดอิเล็กตริก

วัสดุไดอิเล็กตริก (อังกฤษ: dielectric material) (หรือสั้นๆว่าไดอิเล็กตริก) เป็นฉนวนไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่สามารถทำให้มีขั้วไฟฟ้าได้โดยใช้สนามไฟฟ้า เมื่อไดอิเล็กตริกหนึ่งถูกวางอยู่ในสนามไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าจะไม่ไหลผ่านตัววัสดุเหมือนอย่างที่ผ่านตัวนำ เพียงแต่ขยับเพียงเล็กน้อยเท่านั้นจากตำแหน่งสมดุลเฉลี่ยเดิมก่อให้เกิดความเป็นขั้วไดอิเล็กตริก (อังกฤษ: dielectric polarization). ในการนี้ประจุบวกจะถูกผลักไปในทิศทางของสนามและประจุลบจะขยับไปในทิศทางตรงกันข้าม ปรากฏการณ์นี้จะสร้างสนามไฟฟ้าภายในที่ช่วยลดสนามโดยรวมภายในตัวไดอิเล็กตริกมันเอง ถ้าไดอิเล็กตริกหนึ่งประกอบด้วยโมเลกุลที่มีแรงยึดเหนึ่ยวอยู่ด้วยกันที่อ่อน โมเลกุลเหล่านั้นไม่เพียงแต่จะกลายเป็นขั้วเท่านั้น แต่จะยังเรียงตัวเพื่อให้แกนสมมาตรของมันอยู่ในแนวเดียวกันกับสนาม

วัสดุไดอิเล็กตริกที่เป็นขั้ว

การศึกษาด้านคุณสมบัติของไดอิเล็กตริกเกี่ยวข้องกับการจัดเก็บและการแพร่กระจายของพลังงานไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในวัสดุ ไดอิเล็กตริกมีความสำคัญสำหรับการอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆในสาขาอิเล็กทรอนิกส์, แสง, และฟิสิกส์ของโซลิดเสตท

คำศัพท์

ในขณะที่คำว่าฉนวนหมายถึงการนำไฟฟ้าที่ต่ำ ไดอิเล็กตริกมักจะหมายถึงวัสดุที่มีความสามารถในการเป็นขั้วที่สูง ความสามารถนี้แสดงออกมาจากตัวเลขหนึ่งที่เรียกว่าแรงต้านสนามไฟฟ้าสัมพันธ์ (ที่รู้จักกันในตำราเก่าว่าเป็นค่าไดอิเล็กตริกคงที่) คำว่าฉนวนถูกใช้กันทั่วไปเพื่อจะบ่งบอกถึงการขัดขวางการไหลของไฟฟ้าในขณะที่คำว่าไดอิเล็กทริกถูกใช้เพื่อบ่งชี้ถึงความจุในการจัดเก็บพลังงานของวัสดุ (โดยวิธีของการเป็นขั้ว) ตัวอย่างทั่วไปของไดอิเล็กตริกได้แก่วัสดุฉนวนไฟฟ้าที่อยู่ระหว่างแผ่นโลหะของตัวเก็บประจุ การเป็นขั้วของไดอิเล็กทริกโดยสนามไฟฟ้าที่จ่ายให้เพิ่มประจุที่พื้นผิวของตัวเก็บประจุสำหรับความแรงของสนามไฟฟ้าที่กำหนด

คำว่า "ไดอิเล็กตริก" ถูกตั้งให้เป็นเกียรติโดยวิลเลียม Whewell (จากคำว่า "ได-อิเล็กตริก") ในการตอบสนองต่อการร้องขอจากไมเคิลฟาราเดย์ ไดอิเล็กตริกที่สมบูรณ์แบบเป็นวัสดุหนึ่งที่มีความสามารถในการนำไฟฟ้าเป็นศูนย์ (อ่านเพิ่มเติม ตัวนำสมบูรณ์แบบ) ดังนั้นมันจึงแสดงเพียงกระแสแทนที่ (อังกฤษ: displacement current) เพราะฉะนั้น มันจึงเก็บและส่งกลับพลังงานไฟฟ้าเหมือนกับว่ามันเป็นเสมือนตัวเก็บประจุตัวหนึ่ง

ความอ่อนไหวทางไฟฟ้า

บทความหลัก: แรงต้านสนามไฟฟ้า

ความอ่อนไหวทางไฟฟ้า (อังกฤษ: electric susceptibility) χ_e ของวัสดุไดอิเล็กตริกเป็นตัวชี้วัดว่ามันง่ายแค่ไหนที่มันจะเป็นขั้วในการตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าหนึ่ง นี้จึงเป็นตัวกำหนดค่าแรงต้านสนามไฟฟ้าของวัสดุและสร้างอิทธิพลต่อปรากฏการณ์อื่น ๆ อีกมากมายในตัวกลางนี้น จากความจุของตัวเก็บประจุจนถึงความเร็วของแสง

มันถูกกำหนดให้เป็นค่าคงที่ของสัดส่วน (ซึ่งอาจเป็นเทนเซอร์ตัวหนึ่ง) ที่เกี่ยวข้องกับสนามไฟฟ้า E ต่อความหนาแน่นของการเป็นขั้วของไดอิเล็กตริกที่ถูกเหนี่ยวนำ P ดังเช่น

${\displaystyle {\mathbf {P} }=\varepsilon _{0}\chi _{e}{\mathbf {E} },}$ 

{\ mathbf p} = \ varepsilon_0 \ chi_e {\ mathbf E}

เมื่อ ε₀ เป็นแรงต้านสนามไฟฟ้าในพื้นที่ว่าง

ความอ่อนไหวของตัวกลางหนึ่งจะเกี่ยวข้องกับแรงต้านสนามไฟฟ้าสัมพันธ์ ε_r ของมันโดย

${\displaystyle \chi _{e}\ =\varepsilon _{r}-1.}$ 

ดังนั้นในกรณีของสูญญากาศ

${\displaystyle \chi _{e}\ =0.}$ 

ค่า electric displacement D จะเกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของความเป็นขั้ว P โดย

${\displaystyle \mathbf {D} \ =\ \varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P} \ =\ \varepsilon _{0}(1+\chi _{e})\mathbf {E} \ =\ \varepsilon _{r}\varepsilon _{0}\mathbf {E} .}$ 

การเป็นขั้วของไดอิเล็กตริก

แบบจำลองอะตอมพื้นฐาน

 

สนามไฟฟ้ามีปฏิสัมพันธ์กับอะตอมภายใต้แบบจำลองไดอิเล็กตริกแบบคลาสสิก

ในวิธีการแบบคลาสสิกกับแบบจำลองไดอิเล็กตริก วัสดุจะถูกสร้างขึ้นจากอะตอม แต่ละอะตอมประกอบด้วยเมฆของประจุลบ (อิเล็กตรอน) ที่ยึดเหนี่ยวกับและอยู่รอบประจุบวกที่ศูนย์กลางของมัน ในการปรากฏตัวของสนามไฟฟ้า เมฆประจุจะบิดเบี้ยวตามที่แสดงในด้านบนขวาของรูป

ภาพนี้สามารถลดลงไปเป็นไดโพลง่ายๆโดยใช้หลักการของการซ้อนตำแหน่ง (อังกฤษ: superposition principle) ไดโพลจะมีลักษณะเฉพาะตามไดโพลโมเมนท์ของมันซึ่งเป็นปริมาณเวกเตอร์ที่แสดงในรูปเป็นลูกศรสีฟ้าที่มีป้ายกำกับ M มันเป็นความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้าและไดโพลโมเมนท์ที่ก่อให้เกิดพฤติกรรมของไดอิเล็กตริก (โปรดทราบว่าไดโพลโมเมนท์จะชี้ไปในทิศทางเดียวกับสนามไฟฟ้าในรูป แต่ไม่ได้เป็นอย่างนั้นเสมอไปและเป็นการวาดให้ง่ายที่สำคัญ แต่เป็นจริงสำหรับวัสดุหลายชนิด.)

เมื่อสนามไฟฟ้าถูกถอดออกไป อะตอมจะกลับคืนสู่สภาพเดิม เวลาที่จะต้องทำเช่นนั้นถูกเรียกว่าเวลาผ่อนคลาย ซึ่งเป็นการสลายแบบเอกซ์โปเนนเชียล

นี่คือสาระสำคัญของแบบจำลองในสาขาวิชาฟิสิกส์ พฤติกรรมของไดอิเล็กตริกในขณะนี้ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ สถานการณ์ยิ่งซับซ้อนมากขึ้นเท่าไร แบบจำลองยิ่งสมบูรณ์ในการอธิบายพฤติกรรมได้อย่างถูกต้องมากขึ้นเท่านั้น คำถามที่สำคัญคือ

• สนามไฟฟ้าคงที่หรือขึ้นอยู่กับเวลา ที่อัตราเท่าไร
• การตอบสนองขึ้นอยู่กับทิศทางของสนามที่จ่ายให้ (isotropy ของวัสดุ) หรือไม่?
• การตอบสนองเหมือนกันทุกที่ (ความสม่ำเสมอของวัสดุ) หรือไม่
• ขอบเขตหรือการเชื่อมต่อใด ๆ จะต้องนำมาพิจารณาหรือไม่
• การตอบสนองเป็นแบบเชิงเส้นเมื่อเทียบกับสนามหรือเป็นแบบไม่เชิงเส้น

ความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้า E และไดโพลโมเมนท์ M ก่อให้เกิดพฤติกรรมของไดอิเล็กตริกซึ่งสำหรับวัสดุที่กำหนดสามารถกำหนดคุณลักษณะเฉพาะโดยฟังก์ชัน F ตามสมการ:

${\displaystyle \mathbf {M} =\mathbf {F} (\mathbf {E} )}$ .

เมื่อทั้งประเภทของสนามไฟฟ้าและชนิดของวัสดุที่ได้รับการกำหนดเรียบร้อยแล้ว จากนั้นเราต้องเลือกฟังก์ชัน F ที่ง่ายที่สุดที่จะสามารถคาดการณ์ได้อย่างถูกต้องถึงปรากฏการณ์ที่อยู่ในความสนใจ ตัวอย่างของปรากฏการณ์ที่สามารถสร้างแบบจำลองดังกล่าวได้แก่:

• ดรรชนีหักเห
• การกระจายความเร็วกลุ่ม (อังกฤษ: Group velocity dispersion)
• Birefringence
• การโฟกัสด้วยตนเอง
• การผลิตฮาร์มอนิค

การเป็นขั้วแบบไดโพล

1. จากบทความใน Encyclopædia Britannica: "วัสดุที่เป็นฉนวนไดอิเล็กตริกหรือตัวนำกระแสไฟฟ้าที่แย่มากๆ เมื่อไดอิเล็กตริกถูกวางอยู่ในสนามไฟฟ้า ในทางปฏิบัติจะไม่มีกระแสไหลในตัวมัน เพราะว่ามันไม่เหมือนโลหะ มันไม่มีอิเล็กตรอนที่เกาะเกี่ยวกันอย่างหลวมๆหรืออิเล็กตรอนอิสระที่สามารถขยับไปในตัววัสดุนั้น" "Dielectrics (physics)". Britannica. 2009. p. 1. Retrieved 2009-08-12.
2. จากบทความใน Encyclopædia Britannica: "วัสดุที่เป็นฉนวนไดอิเล็กตริกหรือตัวนำกระแสไฟฟ้าที่แย่มากๆ เมื่อไดอิเล็กตริกถูกวางอยู่ในสนามไฟฟ้า ในทางปฏิบัติจะไม่มีกระแสไหลในตัวมัน เพราะว่ามันไม่เหมือนโลหะ มันไม่มีอิเล็กตรอนที่เกาะเกี่ยวกันอย่างหลวมๆหรืออิเล็กตรอนอิสระที่สามารถขยับไปในตัววัสดุนั้น" "Dielectrics (physics)". Britannica. 2009. p. 1. Retrieved 2009-08-12.
3. Arthur R. von Hippel, ในงานสัมนาของเขาเรื่อง วัสดุไดอิเล็กตริกและการประยุกต์ใช้ ระบุว่า: "ไดอิเล็กตริก... ไม่ใช้ระดับชั้นแคบๆที่เรียกว่าฉนวน แต่เป็นการขยายอย่างกว้างขวางของวัสดุที่ไม่ใช่โลหะที่มีการพิจารณาจากจุดยืนของการปฏิสัมพันธ์ของมันกับสนามไฟฟ้า สนามแม่เหล็กและสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นเราจึงเกี่ยวข้องกับก็ซเช่นเดียวกับของแข็งและของเหลว และกับการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าและแม่เหล็กอีกทั้งการแพร่กระจายของมัน" (Technology Press of MIT and John Wiley, NY, 1954).
4. จากบทความใน Encyclopædia Britannica: "วัสดุที่เป็นฉนวนไดอิเล็กตริกหรือตัวนำกระแสไฟฟ้าที่แย่มากๆ เมื่อไดอิเล็กตริกถูกวางอยู่ในสนามไฟฟ้า ในทางปฏิบัติจะไม่มีกระแสไหลในตัวมัน เพราะว่ามันไม่เหมือนโลหะ มันไม่มีอิเล็กตรอนที่เกาะเกี่ยวกันอย่างหลวมๆหรืออิเล็กตรอนอิสระที่สามารถขยับไปในตัววัสดุนั้น" "Dielectrics (physics)". Britannica. 2009. p. 1. Retrieved 2009-08-12.
5. J. Daintith (1994). Biographical Encyclopedia of Scientists. CRC Press. p. 943. ISBN 0-7503-0287-9.
6. James, Frank A.J.L., editor. The Correspondence of Michael Faraday, Volume 3, 1841–1848, "Letter 1798, William Whewell to Faraday, p. 442.". The Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom, 1996. ISBN 0-86341-250-5
7. Microwave Engineering - R. S. Rao (Prof.). Retrieved 2013-11-08.