مواد دی الکتریک: تعریف، ویژگی ها و کاربردها
ماده دی الکتریک به عنوان یک عایق الکتریکی تعریف می‌شود که با اعمالپتانسیل الکتریکی قطبی شدن می‌کند. این بدان معناست که وقتی ماده دی الکتریک در یک پتانسیل الکتریکی قرار می‌گیرد، جریان بار الکتریکی از طریق آن عبور نمی‌کند، بلکه دیپول‌های الکتریکی داخلی (جفت‌های بارهای مخالف) آن را در جهت پتانسیل الکتریکی هم‌راستا می‌کند. این هم‌راستا کردن پتانسیل الکتریکی کل درون ماده دی الکتریک را کاهش می‌دهد و ظرفیت کندانسوری که از آن استفاده می‌کند را افزایش می‌دهد.
چگونه مواد دی الکتریک عمل می‌کنند؟
برای فهمیدن چگونگی عمل مواد دی الکتریک، باید برخی مفاهیم پایه الکترومغناطیس را بشناسیم.
پتانسیل الکتریکی منطقه‌ای از فضا است که در آن بار الکتریکی نیرویی تجربه می‌کند. جهت پتانسیل الکتریکی جهت نیروی وارد بر بار مثبت است و اندازه پتانسیل الکتریکی متناسب با قدرت نیرو است. پتانسیل‌های الکتریکی توسط بارهای الکتریکی یاپتانسیل‌های مغناطیسی متغیر ایجاد می‌شوند.
قطبی شدن الکتریکی جدا شدن بارهای مثبت و منفی درون یک ماده به دلیل یک پتانسیل الکتریکی خارجی است. وقتی ماده قطبی شده، گشتاور دیپول الکتریکی در آن ایجاد می‌شود که اندازه‌گیری می‌کند چقدر بارها جدا شده و چگونه هم‌راستا شده‌اند. گشتاور دیپول الکتریکی یک ماده متناسب با مشخصه‌ی القایی آن است که اندازه‌گیری می‌کند چقدر آسان قطبی شدن می‌تواند باشد.
ظرفیت توانایی سیستم برای ذخیره بار الکتریکی است. کندانسور دستگاهی است که شامل دورسانا (صفحات) جدا شده توسط یک عایق (دی الکتریک) است. وقتی یکولتاژ از طریق صفحات اعمال می‌شود، یک پتانسیل الکتریکی بین آنها ایجاد می‌شود و بارها روی هر صفحه تجمع می‌یابند. ظرفیت کندانسور متناسب با مساحت صفحات، به طور معکوس متناسب با فاصله بین آنها و متناسب با ثابت دی الکتریک عایق است.
ویژگی‌های مواد دی الکتریک
برخی از ویژگی‌های مهم مواد دی الکتریک عبارتند از:
ثابت دی الکتریک: این یک کمیت بدون بعد است که نشان می‌دهد چقدر ماده ظرفیت کندانسور را نسبت به خلاء افزایش می‌دهد. این مقدار همچنیننسبت پرمیتیویت یا نسبت پرمیتیویت 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 حداکثر پتانسیل الکتریکی است که ماده می‌تواند تحمل کند بدون اینکه نقص یا رسانا شود. این مقاومت به ولت بر متر (V/m) یا کیلوولت بر میلی‌متر (kV/mm) اندازه‌گیری می‌شود. مقاومت دی الکتریک هوا حدود ۳ MV/m و مقاومت دی الکتریک شیشه حدود ۱۰ MV/m است.
زیان دی الکتریک: این مقدار انرژی است که به صورت گرما زمانی که یک پتانسیل الکتریکی متناوب به ماده اعمال می‌شود تلف می‌شود. این مقدار با استفاده ازمقدار tan delta یا عامل تلف اندازه‌گیری می‌شود که نسبت بخش موهومی به بخش حقیقی پرمیتیویت پیچیده است. زیان دی الکتریک به فرکانس و دما پتانسیل الکتریکی، ساختار و خالصی ماده بستگی دارد. مواد با زیان دی الکتریک کم برای کاربردهایی که به کارایی بالا و گرمای کم نیاز دارند مطلوب هستند.
نوع‌ها و نمونه‌های مواد دی الکتریک
مواد دی الکتریک می‌توانند بر اساس ساختار مولکولی و مکانیسم قطبی شدن به انواع مختلف تقسیم‌بندی شوند. برخی از انواع و نمونه‌های رایج عبارتند از:
خلاء: این عدم وجود ماده است و بنابراین قطبی شدن ندارد. ثابت دی الکتریک آن ۱ است و زیان دی الکتریک ندارد.
گازها: این‌ها ازاتم‌ها یا مولکول‌هایی تشکیل شده‌اند که به صورت آزاد حرکت می‌کنند. آنها ثابت‌های دی الکتریک پایین (نزدیک به ۱) و زیان‌های دی الکتریک کم دارند. نمونه‌ها شامل هوا، نیتروژن، هلیوم و سولفور هگزافلوئورید هستند.
مایعات: این‌ها از مولکول‌هایی تشکیل شده‌اند که نسبت به گازها محکم‌تر اما هنوز می‌توانند حرکت کنند. آنها ثابت‌های دی الکتریک بیشتر از گازها (از ۲ تا ۸۰) و زیان‌های دی الکتریک بیشتر دارند. نمونه‌ها شامل آب، روغنترانسفورمر، اتانول و گلیسرول هستند.
جامدات: این‌ها از اتم‌ها یا مولکول‌هایی تشکیل شده‌اند که به صورت محکم در موقعیت‌های ثابت قرار دارند. آنها ثابت‌های دی الکتریک بیشتر از مایعات (از ۳ تا ۲۰۰۰) و زیان‌های دی الکتریک بیشتر دارند. نمونه‌ها شامل شیشه، سرامیک، پلاستیک، لاستیک، کاغذ، میکا و کوارتز هستند.
کاربردهای مواد دی الکتریک
مواد دی الکتریک کاربردهای متعددی در حوزه‌های مختلف علم و مهندسی دارند. برخی از نمونه‌ها عبارتند از:
کندانسورها: این دستگاه‌ها با استفاده از مواد دی الکتریک بین دو رسانا بار الکتریکی و انرژی را ذخیره می‌کنند. کندانسورها در مدارهای الکترونیکی برای فیلتر کردن، صاف کردن، تایمینگ، کوپلینگ، دکوپلینگ، تنظیم، حسگری و تبدیل انرژی استفاده می‌شوند.
عایق‌ها: این مواد با استفاده از مقاومت الکتریکی بالا و مقاومت دی الکتریک بالا جریان الکتریکی را از عبور می‌گیرند. عایق‌ها برای محافظت، جدا کردن، پشتیبانی و جدا کردن اجزای الکتریکی و سیم‌ها استفاده می‌شوند.
انتقال‌دهندگان: این دستگاه‌ها با استفاده از مواد دی الکتریک که دارای خاصیتپیزوالکتریکی یا الکترواستریکشن هستند یک نوع انرژی را به نوع دیگری تبدیل می‌کنند. پیزوالکتریکی خاصیت برخی مواد برای تولید ولتاژ الکتریکی زمانی که تحت تنش مکانیکی قرار می‌گیرند یا برعکس است. الکترواستریکشن خاصیت برخی مواد برای تغییر شکل یا اندازه زمانی که تحت پتانسیل الکتریکی قرار می‌گیرند یا برعکس است. انتقال‌دهندگان برای تولید، کشف، اندازه‌گیری و کنترل امواج صوتی، امواج اولتراسونیک، ارتعاشات، فشار، نیرو، جابجایی، دما و غیره استفاده می‌شوند.
دستگاه‌های فوتونیک: این دستگاه‌ها با استفاده از مواد دی الکتریک که خصوصیات نوری مانند انکسار، بازتاب، جذب، پراکندگی، پراکندگی، دوگانه‌بودن و غیره دارند امواج نوری را کنترل می‌کنند. دستگاه‌های فوتونیک برای انتقال، دریافت، مدولاسیون، کلیدزنی، فیلتر کردن، تقویت، تقسیم، ترکیب، ذخیره‌سازی، پردازش، نمایش، تصویربرداری، حسگری و غیره از سیگنال‌های نوری استفاده می‌شوند.
دستگاه‌های حافظه: این دستگاه‌ها با استفاده از مواد دی الکتریک که دارای خ
