ค่าคงที่อิเล็กทริกคืออะไร? - กายภาพ - 2025

ฉนวนคงเป็นค่าที่เกี่ยวข้องกับวัสดุที่วางอยู่ระหว่างแผ่นเปลือกโลกของตัวเก็บประจุ (หรือตัวเก็บประจุ - รูปที่ 1) และที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและเพิ่มฟังก์ชั่น (Giancoli, 2549). อิเล็กทริกมีความหมายเหมือนกันกับฉนวนไฟฟ้านั่นคือเป็นวัสดุที่ไม่อนุญาตให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

ค่านี้มีความสำคัญจากหลาย ๆ ด้านเนื่องจากเป็นเรื่องปกติที่ทุกคนจะต้องใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ในบ้านพื้นที่พักผ่อนหย่อนใจสถานศึกษาหรือเวิร์คสเตชั่น แต่แน่นอนว่าเราไม่ทราบถึงกระบวนการที่ซับซ้อนที่เกิดขึ้นในอุปกรณ์นี้เพื่อให้ทำงานได้

รูปที่ 1: ตัวเก็บประจุประเภทต่างๆ

ตัวอย่างเช่นมินิคอมโพเนนต์โทรทัศน์และอุปกรณ์มัลติมีเดียของเราใช้ไฟฟ้ากระแสตรงสำหรับการทำงานของมัน แต่กระแสในประเทศและอุตสาหกรรมที่มาถึงบ้านและที่ทำงานของเราเป็นกระแสสลับ เป็นไปได้อย่างไร?.

รูปที่ 2: วงจรไฟฟ้าของอุปกรณ์ในประเทศ

คำตอบสำหรับคำถามนี้อยู่ในอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์เดียวกัน: ตัวเก็บประจุ (หรือตัวเก็บประจุ) ส่วนประกอบเหล่านี้ช่วยให้การแก้ไขกระแสสลับเป็นกระแสตรงเป็นไปได้และการทำงานขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตหรือรูปร่างของตัวเก็บประจุและวัสดุอิเล็กทริกที่มีอยู่ในการออกแบบ

วัสดุอิเล็กทริกมีบทบาทสำคัญเนื่องจากอนุญาตให้นำแผ่นที่ประกอบเป็นตัวเก็บประจุเข้าใกล้กันโดยไม่ต้องสัมผัสและปิดช่องว่างระหว่างแผ่นดังกล่าวด้วยวัสดุอิเล็กทริกเพื่อเพิ่มการทำงานของตัวเก็บประจุ

ต้นกำเนิดของค่าคงที่ไดอิเล็กทริก: ตัวเก็บประจุและวัสดุอิเล็กทริก

ค่าของค่าคงที่นี้เป็นผลการทดลองนั่นคือมันมาจากการทดลองที่ทำกับวัสดุฉนวนประเภทต่างๆและทำให้เกิดปรากฏการณ์เดียวกันนั่นคือการทำงานที่เพิ่มขึ้นหรือประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุ

ตัวเก็บประจุเกี่ยวข้องกับปริมาณทางกายภาพที่เรียกว่าความจุ "C" ซึ่งกำหนดจำนวนประจุไฟฟ้า "Q" ที่ตัวเก็บประจุสามารถเก็บได้โดยการจัดหาความต่างศักย์ "certainV" (สมการ 1)

(สมการ 1)

การทดลองได้ข้อสรุปว่าการครอบคลุมช่องว่างระหว่างจานของตัวเก็บประจุด้วยวัสดุอิเล็กทริกอย่างสมบูรณ์ตัวเก็บประจุจะเพิ่มความจุโดยปัจจัยκเรียกว่า "ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก" (สมการ 2).

(สมการ 2)

ภาพประกอบของความจุตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานแบบแบน C ที่ชาร์จและด้วยเหตุนี้สนามไฟฟ้าสม่ำเสมอที่ชี้ลงระหว่างแผ่นของมันแสดงไว้ในรูปที่ 3

ที่ด้านบนของรูปคือตัวเก็บประจุที่มีสูญญากาศระหว่างจาน (สูญญากาศ - การอนุญาต ∊0) จากนั้นที่ด้านล่างจะมีการนำเสนอตัวเก็บประจุเดียวกันกับความจุ C '> C โดยมีอิเล็กทริกอยู่ระหว่างแผ่น (ของการอนุญาต ∊)

รูปที่ 3: ตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานที่ไม่มีอิเล็กทริกและมีอิเล็กทริก

Figueroa (2005) แสดงสามฟังก์ชันสำหรับวัสดุอิเล็กทริกในตัวเก็บประจุ:

1. อนุญาตให้มีโครงสร้างที่แข็งและกะทัดรัดโดยมีช่องว่างเล็กน้อยระหว่างแผ่นนำไฟฟ้า
2. พวกเขาอนุญาตให้ใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นโดยไม่ทำให้เกิดการคายประจุ (สนามไฟฟ้าที่สลายตัวมีค่ามากกว่าอากาศ)
3. เพิ่มความจุของตัวเก็บประจุโดยปัจจัยที่เรียกว่าค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุ

ดังนั้นผู้เขียนจึงระบุว่าκ "เรียกว่าค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุและวัดการตอบสนองของไดโพลโมเลกุลต่อสนามแม่เหล็กภายนอก" นั่นคือค่าคงที่ไดอิเล็กทริกยิ่งสูงยิ่งมีขั้วของโมเลกุลของวัสดุสูงขึ้น

แบบจำลองอะตอมของไดอิเล็กทริก

โดยทั่วไปวัสดุจะมีการจัดเรียงโมเลกุลที่เฉพาะเจาะจงซึ่งขึ้นอยู่กับโมเลกุลของตัวมันเองและองค์ประกอบที่ประกอบขึ้นในแต่ละวัสดุ ในบรรดาการจัดเรียงโมเลกุลที่แทรกแซงในกระบวนการอิเล็กทริกคือสิ่งที่เรียกว่า "โมเลกุลมีขั้ว" หรือโพลาไรซ์

ในโมเลกุลที่มีขั้วมีการแยกระหว่างตำแหน่งกลางของประจุลบและตำแหน่งกลางของประจุบวกทำให้มีขั้วไฟฟ้า

ตัวอย่างเช่นโมเลกุลของน้ำ (รูปที่ 4) มีขั้วอย่างถาวรเนื่องจากจุดศูนย์กลางของการกระจายประจุบวกอยู่กึ่งกลางระหว่างอะตอมของไฮโดรเจน (Serway and Jewett, 2005).

รูปที่ 4: การแพร่กระจายของโมเลกุลของน้ำ

ในขณะที่อยู่ในโมเลกุล BeH2 (เบริลเลียมไฮไดรด์ - รูปที่ 5) ซึ่งเป็นโมเลกุลเชิงเส้นไม่มีโพลาไรเซชันเนื่องจากจุดศูนย์กลางของการกระจายประจุบวก (ไฮโดรเจน) อยู่ตรงกลางของการกระจายประจุลบ (เบริลเลียม) ยกเลิกการแบ่งขั้วใด ๆ ที่อาจมีอยู่ นี่คือโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว

รูปที่ 5: การแพร่กระจายของโมเลกุลเบริลเลียมไฮไดรด์

ในหลอดเลือดดำเดียวกันเมื่อวัสดุอิเล็กทริกอยู่ต่อหน้าสนามไฟฟ้า E โมเลกุลจะจัดตำแหน่งตามหน้าที่ของสนามไฟฟ้าทำให้เกิดความหนาแน่นของประจุพื้นผิวบนใบหน้าของอิเล็กทริกที่หันหน้าเข้าหาแผ่นตัวเก็บประจุ

เนื่องจากปรากฏการณ์นี้สนามไฟฟ้าภายในอิเล็กทริกจึงน้อยกว่าสนามไฟฟ้าภายนอกที่สร้างโดยตัวเก็บประจุ ภาพประกอบต่อไปนี้ (รูปที่ 6) แสดงอิเล็กทริกที่มีขั้วไฟฟ้าภายในตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานแบบระนาบ

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าปรากฏการณ์นี้ส่งผลให้วัสดุมีขั้วได้ง่ายกว่าในวัตถุที่ไม่มีขั้วเนื่องจากการมีอยู่ของโมเลกุลโพลาไรซ์ที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าในที่ที่มีสนามไฟฟ้า แม้ว่าการปรากฏตัวของสนามไฟฟ้าเพียงอย่างเดียวทำให้เกิดโพลาไรเซชันของโมเลกุลที่ไม่มีขั้วซึ่งส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์เช่นเดียวกับวัสดุที่มีขั้ว

รูปที่ 6: แบบจำลองของโมเลกุลโพลาไรซ์ของอิเล็กทริกเนื่องจากสนามไฟฟ้าเกิดขึ้นในตัวเก็บประจุที่มีประจุ

ค่าคงที่ของอิเล็กทริกในวัสดุบางชนิด

ขึ้นอยู่กับการทำงานความประหยัดและประโยชน์สูงสุดของตัวเก็บประจุวัสดุฉนวนที่แตกต่างกันจะถูกใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน

วัสดุเช่นกระดาษมีราคาไม่แพงมากแม้ว่าอาจจะล้มเหลวที่อุณหภูมิสูงหรือสัมผัสกับน้ำ ในขณะที่ยางยังคงมีความอ่อนตัว แต่ทนกว่า นอกจากนี้เรายังมีเครื่องเคลือบดินเผาซึ่งทนต่ออุณหภูมิสูงแม้ว่าจะไม่สามารถปรับให้เข้ากับรูปทรงต่างๆได้ตามต้องการ

ด้านล่างนี้เป็นตารางที่ระบุค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุบางชนิดโดยที่ค่าคงที่อิเล็กทริกไม่มีหน่วย (ไม่มีมิติ):

ตารางที่ 1: ค่าคงที่เป็นฉนวนของวัสดุบางชนิดที่อุณหภูมิห้อง

การใช้วัสดุอิเล็กทริกบางประเภท

วัสดุอิเล็กทริกมีความสำคัญในสังคมโลกโดยมีการใช้งานที่หลากหลายตั้งแต่การสื่อสารภาคพื้นดินและดาวเทียมรวมถึงซอฟต์แวร์วิทยุ GPS การตรวจสอบสิ่งแวดล้อมผ่านดาวเทียมและอื่น ๆ (เซบาสเตียน, 2010)

นอกจากนี้ Fiedziuszko และคนอื่น ๆ (2002) ยังอธิบายถึงความสำคัญของวัสดุอิเล็กทริกสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีไร้สายรวมถึงโทรศัพท์เซลลูลาร์ ในสิ่งพิมพ์ของพวกเขาอธิบายถึงความเกี่ยวข้องของวัสดุประเภทนี้ในการย่อขนาดของอุปกรณ์

ตามลำดับความคิดนี้ความทันสมัยได้สร้างความต้องการอย่างมากสำหรับวัสดุที่มีค่าคงที่ของอิเล็กทริกสูงและต่ำสำหรับการพัฒนาชีวิตทางเทคโนโลยี วัสดุเหล่านี้เป็นส่วนประกอบที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์อินเทอร์เน็ตในแง่ของฟังก์ชันการจัดเก็บข้อมูลการสื่อสารและประสิทธิภาพของการส่งข้อมูล (นาลวา, 2542).

อ้างอิง

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T. , Kobayashi, Y. , Nishikawa, T. , Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002) วัสดุอิเล็กทริกอุปกรณ์และวงจร ธุรกรรม IEEE เกี่ยวกับทฤษฎีและเทคนิคไมโครเวฟ, 50 (3), 706-720
2. ฟิเกโรอา, D. (2001). ปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้า การากัสเวเนซุเอลา: Miguel Angel Garcíaและ Son, SRL
3. Giancoli, D. (2549). ทางกายภาพ เริ่มต้นด้วยการใช้งาน เม็กซิโก: PEARSON EDUCACION
4. Nalwa, HS (Ed.). (1999) คู่มือวัสดุคงที่อิเล็กทริกต่ำและสูงและการใช้งานชุดสองปริมาตร เอลส์
5. เซบาสเตียน, มอนแทนา (2010). วัสดุอิเล็กทริกสำหรับการสื่อสารแบบไร้สาย เอลส์
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม. เม็กซิโก: International Thomson Editores