ماتریالهای دی الکتریک: تعریف، ویژگیها و کاربردها
دی الکتریک ماده به عنوان یک عایق الکتریکی تعریف میشود که میتواند با یک میدان الکتریکی پلاریزه شود. این بدان معناست که وقتی دی الکتریک در یک میدان الکتریکی قرار میگیرد، جریان الکتریکی از آن عبور نمیکند، بلکه دیپولهای الکتریکی داخلی (جفتهای جریان مخالف) آن در جهت میدان الکتریکی تراز میشوند. این ترازی میدان الکتریکی درون ماده دی الکتریک را کاهش میدهد و ظرفیت خازن که از آن استفاده میکند را افزایش میدهد.
دی الکتریک ماده چگونه کار میکنند؟
برای فهمیدن نحوه عملکرد دی الکتریک ماده، باید مفاهیم پایهای الکترومغناطیس را بشناسیم.
میدان الکتریکی منطقهای از فضا است که در آن یک بار الکتریکی نیرویی تجربه میکند. جهت میدان الکتریکی جهت نیروی وارد بر یک بار مثبت است و اندازه میدان الکتریکی متناسب با قدرت نیرو است. میدانهای الکتریکی توسط بارهای الکتریکی یا میدانهای مغناطیسی متغیر ایجاد میشوند.
پلاریزاسیون الکتریکی
پلاریزاسیون الکتریکی جدایی بارهای مثبت و منفی درون یک ماده به دلیل میدان الکتریکی خارجی است. وقتی یک ماده پلاریزه میشود، گشتاور دیپول الکتریکی توسعه مییابد که اندازهگیری میکند که چقدر بارها جدا شدهاند و چگونه تراز شدهاند. گشتاور دیپول الکتریکی یک ماده متناسب با حساسیت الکتریکی آن است که اندازهگیری میکند چقدر آسان میتواند پلاریزه شود.
ظرفیت خازن
ظرفیت خازن توانایی یک سیستم برای ذخیره بار الکتریکی است. خازن یک دستگاه است که شامل دو رسانا (صفحه) جدا شده توسط یک عایق (دی الکتریک) است. وقتی یک ولتاژ به صفحات وارد میشود، یک میدان الکتریکی بین آنها ایجاد میشود و بارها روی هر صفحه تجمع مییابند. ظرفیت خازن متناسب با مساحت صفحات، متناسب عکس با فاصله بین آنها و متناسب با ثابت دی الکتریک عایق است.
ویژگیهای دی الکتریک ماده
برخی از ویژگیهای مهم دی الکتریک ماده عبارتند از:
ثابت دی الکتریک: این یک کمیت بدون بعد است که نشان میدهد چقدر یک ماده ظرفیت خازن را نسبت به خلاء افزایش میدهد. این مقدار همچنین نسبت دی الکتریک یا نسبت دی الکتریک نامیده میشود. ثابت دی الکتریک خلاء ۱ است و ثابت دی الکتریک هوا حدود ۱.۰۰۰۶ است. مواد با ثابت دی الکتریک بالا شامل آب (حدود ۸۰)، باریوم تیتانات (حدود ۱۲۰۰) و استرانسیوم تیتانات (حدود ۲۰۰۰) هستند.
مقاومت دی الکتریک: این بیشترین میدان الکتریکی است که یک ماده میتواند تحمل کند بدون اینکه تخریب شود یا رسانا شود. این مقدار به ولت بر متر (V/m) یا کیلوولت بر میلیمتر (kV/mm) محاسبه میشود. مقاومت دی الکتریک هوا حدود ۳ MV/m و مقاومت دی الکتریک شیشه حدود ۱۰ MV/m است.
اتلاف دی الکتریک: این مقدار انرژی است که به عنوان حرارت تبدیل میشود وقتی یک میدان الکتریکی متناوب به یک ماده اعمال میشود. این مقدار با تانژانت زاویه اتلاف یا عامل اتلاف محاسبه میشود که نسبت بخش تخیلی به بخش حقیقی دی الکتریک است. اتلاف دی الکتریک به فرکانس و دما میدان الکتریکی، ساختار و خالصی ماده بستگی دارد. مواد با اتلاف دی الکتریک کم برای کاربردهایی که نیاز به کارایی بالا و گرمایش کم دارند مطلوب هستند.
نوعها و نمونههای دی الکتریک ماده
مواد دی الکتریک میتوانند بر اساس ساختار مولکولی و مکانیسم پلاریزاسیون به نوعهای مختلف تقسیمبندی شوند. برخی از نوعها و نمونههای رایج عبارتند از:
خلاء: این عدم وجود ماده است و بنابراین هیچ پلاریزاسیونی ندارد. ثابت دی الکتریک آن ۱ است و هیچ اتلاف دی الکتریکی ندارد.
گازها: این مواد از اتمها یا مولکولهایی تشکیل شدهاند که به صورت آزاد حرکت میکنند. آنها ثابت دی الکتریک پایین (نزدیک به ۱) و اتلاف دی الکتریک پایین دارند. نمونهها شامل هوا، نیتروژن، هلیوم و سولفور هگزافلوراید هستند.
مایعات: این مواد از مولکولهایی تشکیل شدهاند که نسبت به گازها محکمتر اما هنوز میتوانند حرکت کنند. آنها ثابت دی الکتریک بیشتر از گازها (از ۲ تا ۸۰) و اتلاف دی الکتریک بیشتری دارند. نمونهها شامل آب، ترانسفورماتور، الکل و گلیسرول هستند.
جامدات: این مواد از اتمها یا مولکولهایی تشکیل شدهاند که به صورت محکم و در موقعیتهای ثابت قرار دارند. آنها ثابت دی الکتریک بیشتر از مایعات (از ۳ تا ۲۰۰۰) و اتلاف دی الکتریک بیشتری دارند. نمونهها شامل شیشه، سرامیک، پلاستیک، لاستیک، کاغذ، میکا و کوارتز هستند.
کاربردهای دی الکتریک ماده
مواد دی الکتریک کاربردهای متعددی در حوزههای مختلف علم و مهندسی دارند. برخی از نمونهها عبارتند از:
خازنها: این دستگاهها بار الکتریکی و انرژی را با استفاده از مواد دی الکتریک بین دو رسانا ذخیره میکنند. خازنها برای فیلتر کردن، صاف کردن، تایمینگ، کوپلینگ، دکوپلینگ، تنظیم، حسگری و تبدیل انرژی در مدارهای الکترونیکی استفاده میشوند.
عایقها: این مواد از جریان الکتریکی عبور از آنها با استفاده از مقاومت بالا و مقاومت دی الکتریک بالا جلوگیری میکنند. عایقها برای محافظت، جداسازی، پشتیبانی و جدا کردن اجزای الکتریکی و سیمها استفاده میشوند.
ترانسدیوسرهای: این دستگاهها یک نوع انرژی را به نوع دیگری تبدیل میکنند با استفاده از مواد دی الکتریک که خاصیت پیزو الکتریکی یا الکترواستریکشن دارند. پیزو الکتریکی خاصیت برخی مواد برای تولید ولتاژ الکتریکی وقتی تحت تنش مکانیکی قرار میگیرند یا برعکس است. الکترواستریکشن خاصیت برخی مواد برای تغییر شکل یا اندازه وقتی تحت میدان الکتریکی قرار میگیرند یا برعکس است. ترانسدیوسرهای برای تولید، تشخیص، اندازهگیری و کنترل موجهای صوتی، موجهای اولتراسونیک، لرزش، فشار، نیرو، جابجایی، دما و غیره استفاده میشوند.
