ไดอิเล็กทริก

วัสดุไดอิเล็กทริกที่เป็นขั้ว

วัสดุไดอิเล็กทริก (อังกฤษ: dielectric material) (หรือสั้น ๆ ว่าไดอิเล็กทริก) เป็นฉนวนไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่สามารถทำให้มีขั้วไฟฟ้าได้โดยใช้สนามไฟฟ้า เมื่อไดอิเล็กทริกหนึ่งถูกวางอยู่ในสนามไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าจะไม่ไหลผ่านตัววัสดุเหมือนอย่างที่ผ่านตัวนำ เพียงแต่ขยับเพียงเล็กน้อยเท่านั้นจากตำแหน่งสมดุลเฉลี่ยเดิมก่อให้เกิดความเป็นขั้วไดอิเล็กทริก (dielectric polarization) ในการนี้ประจุบวกจะถูกผลักไปในทิศทางของสนามและประจุลบจะขยับไปในทิศทางตรงกันข้าม ปรากฏการณ์นี้จะสร้างสนามไฟฟ้าภายในที่ช่วยลดสนามโดยรวมภายในตัวไดอิเล็กทริกมันเอง ถ้าไดอิเล็กทริกหนึ่งประกอบด้วยโมเลกุลที่มีแรงยึดเหนึ่ยวอยู่ด้วยกันที่อ่อน โมเลกุลเหล่านั้นไม่เพียงแต่จะกลายเป็นขั้วเท่านั้น แต่จะยังเรียงตัวเพื่อให้แกนสมมาตรของมันอยู่ในแนวเดียวกันกับสนาม

การศึกษาด้านคุณสมบัติของไดอิเล็กทริกเกี่ยวข้องกับการจัดเก็บและการแพร่กระจายของพลังงานไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในวัสดุ ไดอิเล็กทริกมีความสำคัญสำหรับการอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์, แสง, และฟิสิกส์ของโซลิดสเตต

คำศัพท์

ในขณะที่คำว่าฉนวนหมายถึงการนำไฟฟ้าที่ต่ำ ไดอิเล็กทริกมักจะหมายถึงวัสดุที่มีความสามารถในการเป็นขั้วที่สูง ความสามารถนี้แสดงออกมาจากตัวเลขหนึ่งที่เรียกว่าสภาพยอมสัมพัทธ์ (ที่รู้จักกันในตำราเก่าว่าเป็นค่าคงที่ไดอิเล็กทริก) คำว่าฉนวนถูกใช้กันทั่วไปเพื่อจะบ่งบอกถึงการขัดขวางการไหลของไฟฟ้าในขณะที่คำว่าไดอิเล็กทริกถูกใช้เพื่อบ่งชี้ถึงความจุในการจัดเก็บพลังงานของวัสดุ (โดยวิธีของการเป็นขั้ว) ตัวอย่างทั่วไปของไดอิเล็กทริกได้แก่วัสดุฉนวนไฟฟ้าที่อยู่ระหว่างแผ่นโลหะของตัวเก็บประจุ การเป็นขั้วของไดอิเล็กทริกโดยสนามไฟฟ้าที่จ่ายให้เพิ่มประจุที่พื้นผิวของตัวเก็บประจุสำหรับความแรงของสนามไฟฟ้าที่กำหนด

คำว่า "ไดอิเล็กทริก" ถูกตั้งให้เป็นเกียรติโดยวิลเลียม วีเวลล์ (William Whewell) (จากคำว่า "ได-อิเล็กตริก") ในการตอบสนองต่อการร้องขอจากไมเคิล ฟาราเดย์ ไดอิเล็กทริกที่สมบูรณ์แบบเป็นวัสดุหนึ่งที่มีความสามารถในการนำไฟฟ้าเป็นศูนย์ (อ่านเพิ่มเติม ตัวนำสมบูรณ์แบบ) ดังนั้นมันจึงแสดงเพียงกระแสแทนที่ (displacement current) เพราะฉะนั้น มันจึงเก็บและส่งกลับพลังงานไฟฟ้าเสมือนเป็นตัวเก็บประจุตัวหนึ่ง

ความอ่อนไหวทางไฟฟ้า

บทความหลัก: สภาพยอม

ความอ่อนไหวทางไฟฟ้า (อังกฤษ: electric susceptibility) χ_e ของวัสดุไดอิเล็กทริกเป็นตัวชี้วัดว่ามันง่ายแค่ไหนที่มันจะเป็นขั้วในการตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าหนึ่ง นี้จึงเป็นตัวกำหนดค่าสภาพยอมของวัสดุและสร้างอิทธิพลต่อปรากฏการณ์อื่น ๆ อีกมากมายในตัวกลางนี้ จากความจุของตัวเก็บประจุจนถึงความเร็วของแสง

มันถูกกำหนดให้เป็นค่าคงที่ของสัดส่วน (ซึ่งอาจเป็นเทนเซอร์ตัวหนึ่ง) ที่เกี่ยวข้องกับสนามไฟฟ้า E ต่อความหนาแน่นของการเป็นขั้วของไดอิเล็กทริกที่ถูกเหนี่ยวนำ P ดังเช่น

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

เมื่อ ε₀ เป็นสภาพยอมของสุญญากาศ

ความอ่อนไหวของตัวกลางหนึ่งจะเกี่ยวข้องกับสภาพยอมสัมพัทธ์ ε_r ของมันโดย

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

ดังนั้นในกรณีของสูญญากาศ

$\chi _{e}\ =0$

ค่า electric displacement D จะเกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของความเป็นขั้ว P โดย

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

การเป็นขั้วของไดอิเล็กทริก

แบบจำลองอะตอมพื้นฐาน

สนามไฟฟ้ามีปฏิสัมพันธ์กับอะตอมภายใต้แบบจำลองไดอิเล็กทริกแบบคลาสสิก

ในวิธีการแบบคลาสสิกกับแบบจำลองไดอิเล็กทริก วัสดุจะถูกสร้างขึ้นจากอะตอม แต่ละอะตอมประกอบด้วยเมฆของประจุลบ (อิเล็กตรอน) ที่ยึดเหนี่ยวกับและอยู่รอบประจุบวกที่ศูนย์กลางของมัน ในการปรากฏตัวของสนามไฟฟ้า เมฆประจุจะบิดเบี้ยวตามที่แสดงในด้านบนขวาของรูป

ภาพนี้สามารถลดลงไปเป็นไดโพลง่าย ๆ โดยใช้หลักการของการซ้อนตำแหน่ง (superposition principle) ไดโพลจะมีลักษณะเฉพาะตามไดโพลโมเมนต์ของมันซึ่งเป็นปริมาณเวกเตอร์ที่แสดงในรูปเป็นลูกศรสีฟ้าที่มีป้ายกำกับ M มันเป็นความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้าและไดโพลโมเมนต์ที่ก่อให้เกิดพฤติกรรมของไดอิเล็กทริก (ไดโพลโมเมนต์จะชี้ไปในทิศทางเดียวกับสนามไฟฟ้าในรูป แต่ไม่ได้เป็นอย่างนั้นเสมอไปและเป็นการวาดให้ง่ายที่สำคัญ แต่เป็นจริงสำหรับวัสดุหลายชนิด)

เมื่อสนามไฟฟ้าถูกถอดออกไป อะตอมจะกลับคืนสู่สภาพเดิม เวลาที่จะต้องทำเช่นนั้นถูกเรียกว่าเวลาผ่อนคลาย ซึ่งเป็นการสลายแบบเอกซ์โพเนนเชียล

นี่คือสาระสำคัญของแบบจำลองในสาขาวิชาฟิสิกส์ พฤติกรรมของไดอิเล็กทริกในขณะนี้ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ สถานการณ์ยิ่งซับซ้อนมากขึ้นเท่าไร แบบจำลองยิ่งสมบูรณ์ในการอธิบายพฤติกรรมได้อย่างถูกต้องมากขึ้นเท่านั้น คำถามที่สำคัญคือ สนามไฟฟ้าคงที่หรือขึ้นอยู่กับเวลา ที่อัตราเท่าไร, การตอบสนองขึ้นอยู่กับทิศทางของสนามที่จ่ายให้ (ไอโซทรอปีของวัสดุ) หรือไม่, การตอบสนองเหมือนกันทุกที่ (ความสม่ำเสมอของวัสดุ) หรือไม่, ขอบเขตหรือการเชื่อมต่อใด ๆ จะต้องนำมาพิจารณาหรือไม่, การตอบสนองเป็นแบบเชิงเส้นเมื่อเทียบกับสนามหรือเป็นแบบไม่เชิงเส้น

ความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้า E และไดโพลโมเมนต์ M ก่อให้เกิดพฤติกรรมของไดอิเล็กทริกซึ่งสำหรับวัสดุที่กำหนดสามารถกำหนดคุณลักษณะเฉพาะโดยฟังก์ชัน F ตามสมการ:

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

เมื่อทั้งประเภทของสนามไฟฟ้าและชนิดของวัสดุที่ได้รับการกำหนดเรียบร้อยแล้ว จากนั้นเราต้องเลือกฟังก์ชัน F ที่ง่ายที่สุดที่จะสามารถคาดการณ์ได้อย่างถูกต้องถึงปรากฏการณ์ที่อยู่ในความสนใจ ตัวอย่างของปรากฏการณ์ที่สามารถสร้างแบบจำลองดังกล่าวได้แก่:

• ดรรชนีหักเห
• การกระจายความเร็วกลุ่ม (Group velocity dispersion)
• การหักเหสองแนว
• การโฟกัสด้วยตนเอง
• การผลิตฮาร์มอนิก

การเป็นขั้วแบบไดโพล

การเป็นขั้วแบบไดโพลคือโพลาไรเซชันที่มีอยู่ในโมเลกุลของขั้ว (การเป็นขั้วเชิงทิศทาง) หรือสามารถเกิดขึ้นได้ในโมเลกุลใด ๆ ที่อาจเกิดการบิดเบี้ยวของนิวเคลียสแบบไม่สมมาตรได้ (การเป็นขั้วจากการผิดรูป) การเป็นขั้วเชิงทิศทางเป็นผลมาจากไดโพลถาวร เช่น ที่เกิดจากมุม 104.45° ระหว่างพันธะที่ไม่สมมาตรระหว่างอะตอมของออกซิเจนและไฮโดรเจนในโมเลกุลของน้ำ ซึ่งยังคงการเป็นขั้วไว้ในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอก การประกอบไดโพลเหล่านี้ก่อให้เกิดการเป็นขั้วในระดับมหภาค

เมื่อใช้สนามไฟฟ้าภายนอก ระยะห่างระหว่างประจุภายในไดโพลถาวรแต่ละอันซึ่งสัมพันธ์กับพันธะเคมี จะคงที่ในการเป็นขั้วเชิงทิศทาง อย่างไรก็ตาม ทิศทางของการเป็นขั้วเองก็หมุนไป การหมุนนี้เกิดขึ้นในช่วงเวลาซึ่งขึ้นอยู่กับแรงบิดและความหนืดโดยรอบของโมเลกุล เนื่องจากการหมุนไม่ได้เกิดขึ้นทันที การเป็นขั้วแบบไดโพลจึงสูญเสียการตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าที่ความถี่สูงสุด โมเลกุลหมุนประมาณ 1 เรเดียนต่อพิโควินาทีในของไหล ดังนั้นการสูญเสียนี้จึงเกิดขึ้นที่ประมาณ 10¹¹ เฮิรตซ์ (ในย่านไมโครเวฟ) ความล่าช้าในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าทำให้เกิดการเสียดสีและความร้อน

เมื่อใช้สนามไฟฟ้าภายนอกที่ความถี่อินฟราเรดหรือน้อยกว่า โมเลกุลจะโค้งงอและยืดออกตามสนามและจะเปลี่ยนแปลงโมเมนต์ไดโพลของโมเลกุล ความถี่การสั่นสะเทือนของโมเลกุลโดยประมาณจะผกผันกับเวลาที่โมเลกุลโค้งงอ และการเป็นขั้วจากการผิดรูปนี้จะหายไปที่ย่านเหนืออินฟราเรด

แหล่งข้อมูลอื่น

• California Institute of Technology. Feynman's lecture on dielectrics.