ข้อมูลแนวทางเพื่อทำความเข้าใจเรื่องความจุไฟฟ้า (Capacitance) และวัสดุไดอิเล็กทริก (dielectric material)

เนื่องจากตัวเก็บประจุ (Capacitors) มีบทบาทสำคัญอย่างมากในวงจรไฟฟ้า และการเข้าใจถึงปัจจัยที่ส่งผลต่อตัวเก็บประจุ เช่น ความรู้เรื่องวัสดุไดอิเล็กทริกเบื้องต้น ซึ่งในข้อมูลศึกษานี้เราจะมาเจาะลึกเรื่องความจุไฟฟ้าและวัสดุไดอิเล็กทริกโดยที่เนื้อหานี้เราจะกล่าวถึงเพียงสองเรื่องนี้เท่านั้น

1. แผ่นตัวนำ (Conductive Plates) และวัสดุไดอิเล็กทริก (dielectric material)

เพื่อทำความเข้าใจเรื่องตัวเก็บประจุ การพิจารณาถึงขนาดของแผ่นตัวนำและระยะห่างระหว่างแผ่นตัวนำ รวมไปถึงประเภทของวัสดุไดอิเล็กทริกที่มีผลต่อความจุและสภาพยอมไดอิเล็กทริก ( Dielectric Permittivity) (ε) ที่ถือว่าเป็นส่วนสำคัญมาก

โดยทั่วไปแล้วแผ่นตัวเก็บประจุมักทำจากเมทัลไลซ์ฟอยล์หรือฟิล์ม ในขณะที่ไดอิเล็กทริกจะทำหน้าที่เป็นฉนวนไฟฟ้าเสมอ ซึ่งมีวัสดุหลายชนิดที่สามารถนำมาทำฉนวนให้ไดอิเล็กทริกได้ เช่น อากาศ กระดาษ โพลีเอสเตอร์ (polyester) โพลีโพรพิลีน (polypropylene) ไมล่าร์ (Mylar) เซรามิกส์ แก้ว น้ำมัน และอื่น ๆ

2. ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (k)

ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (k) นั้นจะบ่งบอกถึงปริมาตรจำนวนวัสดุไดอิเล็กทริกที่เพิ่มความจุไฟฟ้ามากเท่าใดเมื่อไหร่เทียบกับอากาศ โดยค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่สูงขึ้นจะแสดงถึงตัวฉนวนที่ทำงานได้ดีขึ้น และค่าคงที่ไดอิเล็กทริกเป็นตัวแปรไร้มิติจะสัมพันธ์เกี่ยวกับสุญญากาศหรือที่ว่าง

สภาพยอมเชิงซ้อน (Complex Permittivity (ε) ) ของไดอิเล็กทริกเป็นวัสดุของค่าสภาพยอมของสุญญากาศ (εo) และค่าสภาพยอมไฟฟ้าสัมพัทธ์ (relative permittivity (εr) ) ของวัสดุไดอิเล็กทริก

3. ทำความเข้าใจเรื่องสภาพยอมเชิงซ้อน

สภาพยอมเชิงซ้อน (ε) อ้างอิงถึงค่าสภาพยอมไฟฟ้าสัมพัทธ์ (εr) ของวัสดุไดอิเล็กทริกที่เกี่ยวข้องกับค่าสภาพยอมของสุญญากาศ (εo)

4. ค่าสภาพยอมไดอิเล็กทริก

ค่าสภาพยอมไดอิเล็กทริกของวัสดุทั่วไปมีดังนี้

• Pure Vacuum = 1.0000
• Air = 1.0006
• Paper = 2.5 to 3.5
• Glass = 3 to 10
• Mica = 5 to 7
• Wood = 3 to 8
• Metal Oxide Powders = 6 to 20

5.การเพิ่มความจุไฟฟ้าด้วยแผ่นตัวนำซ้อนหลายชั้น (Multiple Plates)

เพื่อเพิ่มความจุไฟฟ้าในตัวเก็บประจุโดยการสอดแผ่นตัวนำเพิ่ม ซึ่งจะช่วยเรื่องพื้นที่หน้าตัดของแผ่นตัวนำ (A)

6. จำนวนแผ่นตัวนำ (n) 

สำหรับตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนาน (parallel plate capacitor) แบบสองแผ่นจะเป็น  (A and B), n = 2

7. การปรับการสัมผัสไดอิเล็กทริก 

พิจารณาในด้านของแต่ละแผ่นตัวนำที่สัมผัสกับไดอิเล็กทริก เมื่อครึ่งหนึ่งของแผ่นทั้งสองประกอบเข้าด้วยกัน แต่จะมีเพียงแผ่นเดียวทั้งแผ่นเท่านั้นที่สัมผัสกับไดอิเล็กทริกได้อย่างมีประสิทธิภาพ 

8. ตัวเก็บประจุกับแผ่นตัวนำที่สอดซ้อนกัน

ในกรณีของตัวเก็บประจุที่มีแผ่นตัวนำที่สอดซ้อนกัน 9 แผ่น n = 9

9. การจำแนกตัวเก็บประจุ

ตัวเก็บประจุรุ่นใหม่จะถูกจำแนกประเภทตามคุณสมบัติของไดอิเล็กทริกดังนี้

• Low Loss, High Stability (เช่น Mica, Low-K Ceramic, Polystyrene)
• Medium Loss, Medium Stability (เช่น Paper, Plastic Film, High-K Ceramic)
• ตัวเก็บประจุแบบโพลาไรซ์ (เช่น Electrolytic, Tantalum)

10. ระดับแรงดันของตัวเก็บประจุ

ตัวเก็บประจุทุกตัวจะมีระดับแรงดันสูงสุดต่อการใช้งาน (WV หรือ WV DC) ที่ไม่ควรใช้เกินระดับนั้น ๆ  การใช้งานเกินระดับจะทำให้ไดอิเล็กทริกเสียหายและเกิดการอาร์คเป็นผลให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจร ดังนั้นเลือกใช้งานตัวเก็บประจุที่มีอัตราทนแรงดันไฟฟ้าอย่างน้อย 50 เปอร์เซ็นต์สูงกว่าค่าแรงดันใช้งาน (Effective Voltage) ที่สูงสุดในวงจร

11. กระแสรั่วไหลของไดอิเล็กทริก

กระแสรั่วไหลของไดอิเล็กทริกเกิดขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์ไหลผ่านวัสดุไดอิเล็กทริก ในขณะที่วัสดุไดอิเล็กทริกทั่วไปมีฉนวนต้านทานสูงจากการเกิดอันตรายจากค่าแรงดันใช้งานหรืออุณหภูมิเกิน ซึ่งสามารถส่งผลต่อกระแสรั่วไหลจำนวนมาก ความร้อนสูงและตัวเก็บประจุหมดอายุการใช้งานก่อนกำหนดได้ ดังนั้นควรตรวจสอบอยู่เสมอว่าตัวเก็บประจุใช้งานอยู่ในระดับค่าแรงดันใช้งานนั้น ๆ เพื่อป้องกันอันตรายที่อาจจะเกิดขึ้น