วัสดุฉนวน: คำนิยาม คุณสมบัติ และการใช้งาน
วัสดุฉนวนไฟฟ้าถูกกำหนดให้เป็นตัวนำไฟฟ้าที่สามารถถูกขั่วโดยสนามไฟฟ้าที่ใช้สนามไฟฟ้า นั่นหมายความว่าเมื่อวัสดุฉนวนไฟฟ้าถูกวางในสนามไฟฟ้า มันจะไม่อนุญาตให้ประจุไฟฟ้าไหลผ่านมัน แต่แทนที่จะทำเช่นนั้นมันจะจัดเรียงดิโพลภายใน (คู่ของประจุตรงข้าม) ในทิศทางของสนาม ซึ่งการจัดเรียงนี้ลดสนามไฟฟ้าโดยรวมภายในวัสดุฉนวนไฟฟ้าและเพิ่มความจุไฟฟ้าของคอนเดนเซอร์ที่ใช้มัน
วัสดุฉนวนไฟฟ้าทำงานอย่างไร?
ในการเข้าใจการทำงานของวัสดุฉนวนไฟฟ้า เราจำเป็นต้องรู้ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้า
สนามไฟฟ้าคือบริเวณที่ประจุไฟฟ้าประสบแรง ทิศทางของสนามไฟฟ้าคือทิศทางของแรงบนประจุบวก และขนาดของสนามไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับความแรงของแรง สนามไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยประจุไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง
การขั่วไฟฟ้า
การขั่วไฟฟ้าคือการแยกประจุบวกและลบภายในวัสดุด้วยสนามไฟฟ้าภายนอก เมื่อวัสดุถูกขั่ว มันจะพัฒนาโมเมนต์ดิโพลไฟฟ้า ซึ่งเป็นการวัดว่าประจุมีการแยกและจัดเรียงอย่างไร โมเมนต์ดิโพลไฟฟ้าของวัสดุเป็นสัดส่วนกับความไวไฟฟ้าความไวแม่เหล็ก ซึ่งเป็นการวัดว่าวัสดุสามารถถูกขั่วง่ายแค่ไหน
ความจุไฟฟ้า
ความจุไฟฟ้าคือความสามารถของระบบในการเก็บประจุไฟฟ้า คอนเดนเซอร์คืออุปกรณ์ที่ประกอบด้วยสองตัวนำไฟฟ้า (แผ่น) ที่แยกออกจากกันโดยฉนวน (วัสดุฉนวนไฟฟ้า) เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปที่แผ่น สนามไฟฟ้าจะถูกสร้างระหว่างแผ่น และประจุจะสะสมบนแต่ละแผ่น ความจุไฟฟ้าของคอนเดนเซอร์เป็นสัดส่วนกับพื้นที่ของแผ่น ผกผันกับระยะห่างระหว่างแผ่น และสัดส่วนกับค่าคงที่ของฉนวน
คุณสมบัติของวัสดุฉนวนไฟฟ้า
คุณสมบัติสำคัญบางประการของวัสดุฉนวนไฟฟ้าคือ:
ค่าคงที่ของฉนวน: นี่คือปริมาณที่ไม่มิติที่แสดงว่าวัสดุเพิ่มความจุไฟฟ้าของคอนเดนเซอร์เทียบกับสุญญากาศได้มากเท่าใด มันยังเรียกว่าความชุกสัมพัทธ์หรืออัตราส่วนความชุก ค่าคงที่ของฉนวนของสุญญากาศคือ 1 และค่าคงที่ของฉนวนของอากาศคือประมาณ 1.0006 วัสดุที่มีค่าคงที่ของฉนวนสูงรวมถึงน้ำ (ประมาณ 80) บาร์เรียมไทเทเนต (ประมาณ 1200) และสตรอนเทียมไทเทเนต (ประมาณ 2000)
ความแข็งแกร่งของฉนวน: นี่คือสนามไฟฟ้าสูงสุดที่วัสดุสามารถทนทานได้โดยไม่แตกหรือกลายเป็นตัวนำ มันวัดในหน่วยโวลต์ต่อเมตร (V/m) หรือกิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร (kV/mm) ความแข็งแกร่งของฉนวนของอากาศคือประมาณ 3 MV/m และความแข็งแกร่งของฉนวนของกระจกคือประมาณ 10 MV/m
การสูญเสียของฉนวน: นี่คือปริมาณพลังงานที่สลายเป็นความร้อนเมื่อสนามไฟฟ้าสลับขั้วถูกนำไปที่วัสดุ มันวัดโดยแทนเจนต์ของการสูญเสียหรือแฟคเตอร์การสลาย ซึ่งเป็นอัตราส่วนของส่วนจินตภาพต่อส่วนจริงของความชุกเชิงซ้อน การสูญเสียของฉนวนขึ้นอยู่กับความถี่และความร้อนของสนามไฟฟ้า ตลอดจนโครงสร้างและความบริสุทธิ์ของวัสดุ วัสดุที่มีการสูญเสียของฉนวนต่ำเป็นที่ต้องการสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการประสิทธิภาพสูงและการทำความร้อนต่ำ
ประเภทและตัวอย่างของวัสดุฉนวนไฟฟ้า
วัสดุฉนวนไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ตามโครงสร้างโมเลกุลและกลไกการขั่ว ประเภทและตัวอย่างที่พบบ่อยคือ:
สุญญากาศ: นี่คือการขาดหายของสารและดังนั้นจึงไม่มีการขั่ว มันมีค่าคงที่ของฉนวน 1 และไม่มีการสูญเสียของฉนวน
แก๊ส: นี่คือสารที่ประกอบด้วยอะตอมหรือโมเลกุลที่มีการยึดเหนี่ยวหลวมและสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ มันมีค่าคงที่ของฉนวนต่ำ (ใกล้เคียง 1) และการสูญเสียของฉนวนต่ำ ตัวอย่างรวมถึงอากาศ ไนโตรเจน เฮเลียม และซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์
ของเหลว: นี่คือสารที่ประกอบด้วยโมเลกุลที่มีการยึดเหนี่ยวแน่นกว่าแก๊สแต่ยังสามารถเคลื่อนที่ได้ มันมีค่าคงที่ของฉนวนสูงกว่าแก๊ส (ตั้งแต่ 2 ถึง 80) และการสูญเสียของฉนวนสูง ตัวอย่างรวมถึงน้ำทรานสฟอร์เมอร์ น้ำมันเอทานอล และกลีเซอรอล
ของแข็ง: นี่คือสารที่ประกอบด้วยอะตอมหรือโมเลกุลที่มีการยึดเหนี่ยวแน่นในตำแหน่งที่กำหนด มันมีค่าคงที่ของฉนวนสูงกว่าของเหลว (ตั้งแต่ 3 ถึง 2000) และการสูญเสียของฉนวนสูง ตัวอย่างรวมถึงกระจก กระเบื้อง 朔料、橡胶、纸张、云母和石英。
วัสดุฉนวนไฟฟ้ามีการใช้งานมากมายในหลากหลายสาขาของวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม ตัวอย่างบางประการคือ:
วัสดุฉนวนไฟฟ้ามีการใช้งานมากมายในหลากหลายสาขาของวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม ตัวอย่างบางประการคือ:
คอนเดนเซอร์: นี่คืออุปกรณ์ที่เก็บประจุไฟฟ้าและพลังงานโดยใช้วัสดุฉนวนไฟฟ้าระหว่างตัวนำสองตัว คอนเดนเซอร์ถูกใช้ในการกรอง ทำให้เรียบ กำหนดเวลา เชื่อมต่อ แยกต่อ ปรับแต่ง ตรวจจับ และแปลงพลังงานในวงจรไฟฟ้า
ฉนวน: นี่คือวัสดุที่ป้องกันไม่ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านโดยใช้ความต้านทานสูงและความแข็งแกร่งของฉนวนสูง ฉนวนถูกใช้ในการปกป้องแยก สนับสนุน และแยกส่วนของอุปกรณ์และสายไฟฟ้า
ทรานสดิวเซอร์: นี่คืออุปกรณ์ที่แปลงรูปแบบพลังงานหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่งโดยใช้วัสดุฉนวนไฟฟ้าที่มีคุณสมบัติพิเอโซอิเล็กทริกหรืออิเล็กโทรสตริกชัน พิเอโซอิเล็กทริกคือคุณสมบัติของวัสดุบางชนิดที่สร้างแรงดันไฟฟ้าเมื่อถูกกดดันทางกลไกหรือกลับกัน อิเล็กโทรสตริกชันคือคุณสมบัติของวัสดุบางชนิดที่เปลี่ยนรูปหรือขนาดเมื่อถูกนำไปที่สนามไฟฟ้าหรือกลับกัน ทรานสดิวเซอร์ถูกใช้ในการสร้าง ตรวจจับ วัด และควบคุมคลื่นเสียง คลื่นอัลตราซาวด์ การสั่นสะเทือน แรง ความดัน การกระจัด ความร้อน ฯลฯ
