กำหนดไว้

วัสดุไดอิเล็กทริกโดยพื้นฐานแล้วเป็นฉนวน ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุเมื่อได้รับแรงดันไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงบางอย่างเกิดขึ้นในระดับอะตอม เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกจ่ายผ่านวัตถุไดอิเล็กทริก วัตถุนั้นจะมีขั้ว เนื่องจากอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ โพลาไรเซชันจึงเป็นผลกระทบที่เลื่อนอิเล็กตรอนไปทางแรงดันไฟฟ้าบวกเล็กน้อย อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้ไม่ไกลพอที่จะสร้างกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุ การเปลี่ยนแปลงนี้มีขนาดเล็กมาก แต่มีผลสำคัญอย่างยิ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเกี่ยวข้องกับตัวเก็บประจุ เมื่อนำแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าออกจากวัสดุแล้ว วัตถุจะกลับคืนสู่สถานะเดิมที่ไม่มีขั้ว หรือคงสถานะโพลาไรเซชันไว้หากพันธะโมเลกุลในวัสดุอ่อน ความแตกต่างระหว่างคำว่าไดอิเล็กทริกและฉนวนนั้นยังไม่ชัดเจนนัก วัสดุไดอิเล็กทริกทุกชนิดเป็นฉนวน แต่ไดอิเล็กทริกที่ดีคือไดอิเล็กทริกที่โพลาไรเซชันได้ง่าย

ปริมาณโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าหนึ่งๆ ถูกจ่ายให้กับวัตถุ มีอิทธิพลต่อปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่เก็บไว้ใน สนามไฟฟ้าสิ่งนี้อธิบายได้ด้วยค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุ ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกไม่ใช่คุณสมบัติเดียวของวัสดุไดอิเล็กทริก คุณสมบัติอื่นๆ เช่น ความแข็งแรงไดอิเล็กทริกและการสูญเสียไดอิเล็กทริกก็มีความสำคัญเท่าเทียมกันในการเลือกวัสดุสำหรับตัวเก็บประจุสำหรับการใช้งานที่กำหนด

ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุ หรือที่เรียกว่าค่าการอนุญาตของวัสดุ แสดงถึงความสามารถของวัสดุในการรวมตัวของเส้นฟลักซ์ไฟฟ้าสถิต ในทางปฏิบัติ ค่านี้แสดงถึงความสามารถของวัสดุในการกักเก็บพลังงานไฟฟ้าในสภาวะที่มี สนามไฟฟ้าวัสดุทุกชนิด รวมถึงสุญญากาศ จะกักเก็บพลังงานเมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า ค่าการอนุญาตของสุญญากาศถูกกำหนดให้เป็นค่าคงที่ทางกายภาพ ε0 ซึ่งมีค่าประมาณ ε0 = 8.854 x 10-12 ฟารัดต่อเมตร ค่าคงที่นี้ปรากฏในสูตรแม่เหล็กไฟฟ้าหลายสูตร

เนื่องจาก ตัวเก็บประจุ ส่วนใหญ่ ไม่ได้ทำจากสุญญากาศ จึงสมเหตุสมผลที่จะกำหนดค่าการอนุญาต (permittivity) ของวัสดุทุกชนิด ค่าการอนุญาตของวัสดุถูกกำหนดเป็น ε=εrε0 โดยที่ ε คือค่าการอนุญาตสัมบูรณ์ และ er คือค่าการอนุญาตสัมพัทธ์ εr คือตัวเลขที่มากกว่า 1 เสมอ หมายความว่าวัสดุทุกชนิดจะเก็บพลังงานได้มากกว่าพื้นที่ว่างเมื่ออยู่ภายใต้สนามไฟฟ้า คุณสมบัตินี้มีประโยชน์มากในการใช้งานตัวเก็บประจุ และเราจะอธิบายเพิ่มเติมในบทความนี้ โปรดทราบว่าค่าการอนุญาตสัมพัทธ์ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ เช่น อุณหภูมิ ความดัน หรือแม้แต่ความถี่ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมวัสดุที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่เสถียรกว่าจึงเป็นที่นิยมในการใช้งานบางประเภท

วัสดุแต่ละชนิดมีค่าสัมพัทธ์ของค่าการอนุญาตสัมพัทธ์ต่างกัน ในที่นี้ เราได้แสดงรายการวัสดุที่นิยมใช้กันในตัวเก็บประจุ พร้อมค่า er ที่ความถี่ 1kHz ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งสามารถใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงอย่างรวดเร็วและแสดงช่วงค่าที่หลากหลายที่พบได้ในทางปฏิบัติ:

วัสดุεrสุญญากาศ1น้ำ30-88 (ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ)แก้ว3.7-10PTFE (เทฟลอน)2.1โพลีเอทิลีน (PE)2.25โพลีอิไมด์3.4โพลีโพรพิลีน2.2-2.36โพลีสไตรีน2.4-2.7ไทเทเนียมไดออกไซด์86-173สตรอนเซียมไททาเนต310แบเรียมสตรอนเซียมไททาเนต500แบเรียมไททาเนต1250 - 10,000 (ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ)พอลิเมอร์คอนจูเกต1.8 ถึง 100,000 (ขึ้นอยู่กับประเภท)แคลเซียมคอปเปอร์ไททาเนต>250,000

ความแข็งแรงของฉนวนไฟฟ้า

น่าเสียดายที่มีข้อจำกัดเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าที่ฉนวนสามารถทนได้ก่อนนำไฟฟ้า วัสดุทุกชนิดมีขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่เรียกว่า แรงดันพังทลาย ตัวอย่างที่ดีคืออากาศ อากาศถือเป็นฉนวน แต่ในบางสถานการณ์สามารถไหลผ่านได้ นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นจริงในระหว่างฟ้าผ่า หลังจากความเข้มของสนามพังทลายเกินขีดจำกัด อากาศจะถูกทำให้เป็นไอออน (อิเล็กตรอนถูกฉีกออกจากนิวเคลียสของอะตอม) และพวกมันจะเริ่มเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า ก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้า สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือต้องไม่ให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกินพิกัดสูงสุดของตัวเก็บประจุ เพื่อป้องกันความเสียหายหรือแม้กระทั่งการทำลายล้างอย่างสมบูรณ์ ความแข็งแรงของไดอิเล็กทริกสำหรับอากาศอยู่ที่ประมาณ 3 เมกะโวลต์ต่อเมตร เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว ความแข็งแรงของไดอิเล็กทริกสำหรับไมกาอยู่ที่ประมาณ 120 เอ็มวี/เมตร การเลือกใช้วัสดุไดอิเล็กทริกมีความสำคัญอย่างยิ่งในบางการใช้งานที่คาดว่าจะมีแรงดันไฟฟ้าสูง หรือเมื่อความหนาของไดอิเล็กทริกมีขนาดเล็กมาก

การสูญเสียไดอิเล็กทริก

คำว่าการสูญเสียไดอิเล็กทริก หมายถึงพลังงานที่สูญเสียไปเนื่องจากความร้อนของวัตถุที่ทำจากวัสดุไดอิเล็กทริก หากมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่แปรผันให้กับวัตถุนั้น การสูญเสียเหล่านี้เกิดขึ้นเนื่องจากเมื่อวัสดุเปลี่ยนโพลาไรเซชัน การเลื่อนของอิเล็กตรอนเพียงเล็กน้อยอาจถือได้ว่าเป็นการไหลของกระแสไฟฟ้าสลับขนาดเล็ก วัสดุแต่ละชนิดมีการสูญเสียที่แตกต่างกันที่ความถี่ต่างๆ และลักษณะเฉพาะนี้ต้องนำมาพิจารณาในการใช้งานความถี่สูงบางประเภท

การประยุกต์ใช้วัสดุไดอิเล็กทริกกับตัวเก็บประจุ

เพื่อที่จะเข้าใจผลกระทบของไดอิเล็กตริกต่อตัวเก็บประจุ ให้เราทบทวนสูตรที่ทราบสำหรับความจุของตัวเก็บประจุแผ่นขนานอย่างรวดเร็วก่อน:

โดยที่ C คือ ความจุ εr คือค่าสัมพัทธ์ของวัสดุ ε0 คือค่าสัมพัทธ์ของสุญญากาศ A คือพื้นที่ของแผ่น และ d คือระยะห่างระหว่างแผ่น จะเห็นได้ว่ายิ่ง εr มีค่ามากเท่าใด ความจุที่เกิดขึ้นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น อากาศในฐานะวัสดุมีค่าสัมพัทธ์ของค่าประมาณ 1 หมายความว่าอากาศทำหน้าที่เสมือนแผ่นตัวเก็บประจุถูกวางไว้ในสุญญากาศ ในทางกลับกัน พอลิเมอร์บางชนิดมีค่าสัมพัทธ์ของค่าสัมพัทธ์สูงถึง 100,000! การใช้วัสดุเหล่านี้ทำให้สามารถบรรลุค่าความจุเท่ากันในปริมาตรที่เล็กลงมาก ซึ่งเปิดโอกาสให้มีขนาดเล็กลงได้

ทีนี้มาดูค่าความเป็นฉนวนกันก่อน ลองพิจารณาตัว เก็บประจุแบบอากาศซึ่งมีระยะห่างระหว่างขั้วไฟฟ้า 0.1 มิลลิเมตร ค่าความเป็นฉนวนของอากาศอยู่ที่ 3 เมกะโวลต์ต่อเมตร ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ตัวเก็บประจุตัวอย่างนี้สามารถจ่ายได้คือ 300 โวลต์ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม ยิ่งตัวเก็บประจุมีขนาดเล็กเท่าใด แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น ตัวเก็บประจุทุกชนิดมีแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่กำหนด ซึ่งขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ และหากเกินค่าที่กำหนดเหล่านี้ อาจทำให้ตัวเก็บประจุเสียหายหรือพังได้