絶縁材料：定義、特性および応用

誘電体とは、適用された電場によって極化される絶縁体のことです。これは、誘電体が電場に置かれたときに電荷が通過することはありませんが、代わりにその内部の電気双極子（正負の電荷のペア）が電場の方向に整列することを意味します。この整列により、誘電体内の全体的な電場が減少し、それを使用するコンデンサーの容量が増加します。

誘電体はどのように機能するのか？

誘電体がどのように機能するか理解するためには、電磁気学の基本的な概念を知る必要があります。

電場とは、電荷が力を感じる空間の領域です。電場の方向は正電荷に対する力の方向であり、電場の大きさは力の強さに比例します。電場は電荷や変動する磁場によって生成されます。

電気的極化

電気的極化とは、外部の電場により物質内で正と負の電荷が分離することです。物質が極化すると、その電荷がどれだけ分離され、どのように整列しているかを示す電気双極子モーメントが発生します。物質の電気双極子モーメントは、その電気感受性に比例します。これは、物質がどの程度容易に極化されるかを示す測定値です。

容量

容量とは、システムが電荷を蓄積する能力です。コンデンサーは、2つの導体（プレート）が絶縁体（誘電体）で分離された装置です。これらのプレート間に電圧が適用されると、それらの間に電場が生成され、各プレートに電荷が蓄積します。コンデンサーの容量は、プレートの面積に比例し、それらの間の距離に反比例し、絶縁体の誘電率に直接比例します。

誘電体の特性

誘電体の重要な特性は以下の通りです：

• 誘電率：これは無次元の量で、真空と比較してコンデンサーの容量がどの程度増加するかを示します。これも相対誘電率または誘電率比とも呼ばれます。真空の誘電率は1、空気の誘電率は約1.0006です。高い誘電率を持つ材料には水（約80）、バリウムチタン酸塩（約1200）、ストロンチウムチタン酸塩（約2000）があります。

  

• 誘電強度：これは材料が破壊されたり導電性を持たないまま耐えられる最大の電場です。単位はボルト/メートル（V/m）またはキロボルト/ミリメートル（kV/mm）です。空気の誘電強度は約3 MV/m、ガラスの誘電強度は約10 MV/mです。

• 誘電損失：これは材料に交流電場が適用されたときに熱として散逸するエネルギーの量です。これは損失接線または散逸係数で測定されます。これは複素誘電率の虚部と実部の比です。誘電損失は電場の周波数と温度、および材料の構造と純度によって変わります。低い誘電損失を持つ材料は、高効率と低発熱が必要なアプリケーションに適しています。

誘電体の種類と例

誘電体は、分子構造と極化メカニズムに基づいて異なる種類に分類することができます。いくつかの一般的なタイプと例は以下の通りです：

• 真空：これは物質が存在しない状態であり、したがって極化はありません。誘電率は1で、誘電損失はありません。

• ガス：これらは原子または分子で構成されており、自由に移動できます。誘電率は低い（1に近い）で、誘電損失も低いです。例としては空気、窒素、ヘリウム、六フッ化硫黄があります。

• 液体：これらはガスよりも強く結合しているがまだ移動できる分子で構成されています。誘電率はガスよりも高く（2から80の範囲）、誘電損失も高いです。例としては水、トランスフォーマー油、エタノール、グリセリンがあります。

  

• 固体：これらは固定位置で強く結合している原子または分子で構成されています。誘電率は液体よりも高く（3から2000の範囲）、誘電損失も高いです。例としてはガラス、セラミックス、プラスチック、ゴム、紙、雲母、石英があります。

誘電体の応用

誘電体は科学技術のさまざまな分野で多くの応用があります。いくつかの例は以下の通りです：

• コンデンサー：これらは誘電体を使用して2つの導体間に電荷とエネルギーを貯蔵する装置です。コンデンサーは電子回路でのフィルタリング、平滑化、タイミング、結合、デカップリング、チューニング、センシング、電力変換などに使用されます。

• 絶縁体：これらはその高い抵抗と高い誘電強度を利用して電流が流れることを防ぐ材料です。絶縁体は電気部品や配線を保護、隔離、支持、分離するために使用されます。

• 変換器：これらは誘電体を使用してある形式のエネルギーを別の形式に変換する装置です。これらの誘電体は圧電効果または電気制限効果を示します。圧電効果とは、一部の材料が機械的なストレスにさらされると電圧を生成する性質、またはその逆です。電気制限効果とは、一部の材料が電場にさらされると形状やサイズが変化する性質、またはその逆です。変換器は音波、超音波、振動、圧力、力、変位、温度などの生成、検出、測定、制御に使用されます。

  

• 光子デバイス：これらは屈折、反射、吸収、散乱、分散、二軸性などの光学的特性を示す誘電体を使用して光波を操作する装置です。光子デバイスは、光信号の伝送、受信、変調、スイッチング、フィルタリング、増幅、分割、結合、保存、処理、表示、イメージング、センシングなどに使用されます。

  

• 記憶装置：これらは強誘電性またはエレクトレットを示す誘電体を使用して情報を格納する装置です。強誘電性とは、一部の材料が外部電場を取り除いた後でも極化状態を保持する性質です。エレクトレットとは、永久的な電荷または双極子モーメントを持つ材料です。記憶装置はコンピュータ、携帯電話、カメラなどでデータを格納するために使用されます。

結論