อิเล็กทริก

ไดอิเล็กทริกคือฉนวนที่คั่นระหว่างแผ่นตัวนำสองแผ่นในตัวเก็บประจุ ฉนวนเป็นวัสดุที่ไม่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ เช่น พลาสติก แก้ว กระดาษ หรือไม้ หน้าที่ของไดอิเล็กทริกคือการเพิ่มค่าความจุ เพื่อให้ตัวเก็บประจุสามารถเก็บประจุไฟฟ้าและพลังงานศักย์ไฟฟ้าได้มากขึ้น

ตัวเก็บประจุจะทำงานได้ก็ต่อเมื่อแผ่นตัวนำทั้งสองไม่สัมผัสกัน เพื่อไม่ให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่จากตัวนำหนึ่งไปยังอีกตัวนำหนึ่ง ในทำนองเดียวกัน เพื่อไม่ให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่จากตัวนำไปยังอากาศ พื้นที่ระหว่างตัวนำทั้งสองจะต้องเป็นสุญญากาศ ในหัวข้อเกี่ยวกับตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานนั้น ได้มีการกล่าวถึงค่าความจุของตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานที่คั่นด้วยสุญญากาศ ค่าความจุของตัวเก็บประจุในสุญญากาศมีข้อจำกัด ดังนั้น เพื่อเพิ่มค่าความจุ จึงต้องวางวัสดุไดอิเล็กทริกไว้ระหว่างแผ่นทั้งสอง

สารไดอิเล็กทริกทำให้ค่าความจุเพิ่มขึ้น เนื่องจากศักย์ไฟฟ้าระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสองลดลง

เหตุใดค่าความจุของตัวเก็บประจุจึงเพิ่มขึ้นหลังจากวางฉนวนไว้ระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่น? เพื่อหาคำตอบของคำถามนี้ ก่อนอื่นให้ทบทวนบทเรียนเกี่ยวกับประจุไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันจะผลักกัน ในขณะที่ประจุไฟฟ้าต่างชนิดกันจะดึงดูดกัน ตัวอย่างเช่น ประจุบวกจะดึงดูดประจุลบ แต่จะผลักประจุบวก แล้วทำไมพลาสติกที่มีประจุลบจึงสามารถดึงดูดชิ้นกระดาษเล็กๆ ที่ไม่มีประจุไฟฟ้าได้? นี่เป็นเพราะชิ้นกระดาษนั้นเกิดการโพลาไรเซชันของประจุ

อิเล็กตรอนในวัสดุฉนวน เช่น กระดาษ ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเหมือนอิเล็กตรอนในวัสดุตัวนำ ดังนั้น เมื่อนำพลาสติกที่มีประจุลบมาใกล้กับกระดาษ อิเล็กตรอนที่ยึดติดกับอะตอมจะถูกผลักออกจากพลาสติกที่มีประจุลบ ทำให้เกิดการแบ่งขั้วของประจุลบและประจุบวกบนกระดาษ ประจุลบบนกระดาษจะอยู่ห่างจากพลาสติก ในขณะที่ประจุบวกบนกระดาษจะอยู่ใกล้กับพลาสติก จากนั้น ประจุลบบนพลาสติกจะดึงดูดประจุบวกบนกระดาษ จนกระทั่งกระดาษเคลื่อนเข้าใกล้พลาสติกมากขึ้น

กระบวนการโพลาไรเซชันของประจุที่เกิดขึ้นบนแผ่นกระดาษนั้นคล้ายคลึงกับกระบวนการโพลาไรเซชันของประจุที่เกิดขึ้นในวัสดุไดอิเล็กทริก ดังแสดงในรูปทางด้านซ้าย ตัวอย่างเช่น ในตอนแรกมีตัวนำไฟฟ้าที่มีประจุอยู่เพียงสองชิ้น แผ่นด้านซ้ายมีประจุบวก ในขณะที่แผ่นด้านขวามีประจุลบ ดังนั้นทิศทางของสนามไฟฟ้าจึงเป็นจากซ้ายไปขวา

หลังจากวางฉนวนไว้ระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสองแล้ว ประจุบวกบนแผ่นด้านซ้ายจะดึงดูดอิเล็กตรอนบนพื้นผิวฉนวนที่อยู่ใกล้เคียง ในขณะเดียวกัน ประจุลบบนแผ่นด้านขวาจะผลักอิเล็กตรอนบนพื้นผิวฉนวนที่อยู่ใกล้เคียง อิเล็กตรอนในฉนวนจะไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเหมือนอิเล็กตรอนในตัวนำ ดังนั้น อิเล็กตรอนจึงยังคงยึดติดอยู่กับอะตอม แต่จะเกิดการแบ่งขั้วของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและโปรตอนที่มีประจุบวก ดังแสดงในรูป

การมีประจุบวกอยู่ทางด้านขวาของอะตอมไดอิเล็กทริกและประจุลบอยู่ทางด้านซ้ายของอะตอมไดอิเล็กทริกทำให้เกิดสนามไฟฟ้า ซึ่งมีทิศทางจากขวาไปซ้าย สนามไฟฟ้านี้จะลดทอนความแรงของสนามไฟฟ้าที่เกิดจากประจุไฟฟ้าบนแผ่นตัวนำ ซึ่งมีทิศทางจากซ้ายไปขวา ดังนั้น สนามไฟฟ้าจึงลดลง ไม่ใช่เพราะประจุไฟฟ้าบนแผ่นตัวนำทั้งสองลดลง แต่เป็นเพราะสนามไฟฟ้าปรากฏขึ้นในไดอิเล็กทริกในทิศทางตรงกันข้าม หากปล่อยไดอิเล็กทริก ความแรงของสนามไฟฟ้าที่เกิดจากประจุไฟฟ้าบนแผ่นตัวนำทั้งสองก็จะกลับสู่สภาวะปกติ

If เมื่อความแรงของสนามไฟฟ้าที่เกิดจากประจุไฟฟ้าบนแผ่นตัวนำทั้งสองลดลง ศักย์ไฟฟ้าระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสองก็จะลดลงด้วย เนื่องจากสนามไฟฟ้าแปรผันตรงกับศักย์ไฟฟ้า ดังสมการ E = V / d โดยที่ E = สนามไฟฟ้า, V = ศักย์ไฟฟ้า และ d = ระยะห่างระหว่างแผ่นทั้งสอง ถ้าก่อนผ่านฉนวนมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากับ Vo แล้วหลังจากผ่านฉนวน ศักย์ไฟฟ้าจะลดลงเหลือ V โดยมีค่าเป็น K

ในทางคณิตศาสตร์ Vo = KV หรือ V = Vo / K หรือ K = Vo / V โดยที่ K คือค่าคงที่ไดอิเล็กตริก Vo > V ดังนั้น K > 1

โปรดทราบว่าปริมาณประจุไฟฟ้าบนแผ่นตัวนำทั้งสองแผ่นจะไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นปริมาณประจุสุดท้ายจึงเท่ากับปริมาณประจุเริ่มต้น (Q = Qo) การเปลี่ยนแปลงค่าความจุของตัวเก็บประจุคำนวณได้ดังนี้:

C = ค่าความจุสุดท้าย, Co = ค่าความจุเริ่มต้น, Q = ประจุสุดท้าย, Qo = ประจุเริ่มต้น, V = ศักย์ไฟฟ้าสุดท้าย, Vo = ศักย์ไฟฟ้าเริ่มต้น, K = ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก

จากสมการข้างต้น สรุปได้ว่าค่าความจุเริ่มต้น (Co) จะมีค่าน้อยกว่า ในขณะที่ค่าความจุสุดท้าย (C) จะมีค่ามากกว่า ค่าความจุจะเพิ่มขึ้นเป็นปัจจัย K โดยที่ K คือค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุฉนวนแต่ละชนิดจะแตกต่างกัน ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (K) เป็นผลมาจากอัตราส่วนของค่าความจุของตัวเก็บประจุเมื่อใช้ไดอิเล็กตริก ต่อค่าความจุของตัวเก็บประจุเมื่อไม่ใช้ไดอิเล็กตริก

ค่าความจุไดอิเล็กทริกจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากระยะห่างระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสองลดลง

หน้าที่อีกอย่างหนึ่งของไดอิเล็กทริกคือการลดระยะห่าง (d) ระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสอง เพื่อให้สนามไฟฟ้า (E) และแรงดันไฟฟ้า (V) ระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสองเพิ่มขึ้น ตามสมการ E = V / d หากสนามไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสองเพิ่มขึ้น ความจุของตัวเก็บประจุก็จะเพิ่มขึ้นด้วย

หากตัวเก็บประจุที่กล่าวถึงต่อขนานกัน ค่าความจุจะคำนวณได้จากสูตรต่อไปนี้:

จากสูตรทั้งสองข้างต้น สามารถสรุปได้ว่า ค่าความจุ (C) ของตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการลดระยะห่างระหว่างแผ่นตัวนำทั้งสอง (d)

ค่าความจุไดอิเล็กทริกเพิ่มขึ้นเนื่องจากค่าความจุของตัวเก็บประจุเพิ่มขึ้น

ไดอิเล็กทริกทำจากวัสดุฉนวน ซึ่งหากอยู่ในสนามไฟฟ้าแรงสูงจะเกิดความเสียหาย ความเสียหายของไดอิเล็กทริกเกิดขึ้นเมื่อสนามไฟฟ้าแรงมากจนสามารถเคลื่อนอิเล็กตรอนออกจากอะตอม แล้วอิเล็กตรอนเหล่านั้นไปชนกับอิเล็กตรอนในอะตอมอื่น ทำให้เกิดการไหลของอิเล็กตรอนในไดอิเล็กทริก กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความเสียหายของไดอิเล็กทริกทำให้ไดอิเล็กทริกซึ่งเป็นฉนวนไฟฟ้ากลายเป็นตัวนำไฟฟ้า

เพื่อป้องกันความเสียหาย ฉนวนไฟฟ้าทุกชนิดที่ทำจากวัสดุฉนวนชนิดใดชนิดหนึ่งจะมีค่าสนามไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถรับได้ ซึ่งเรียกว่าค่าความแข็งแรงของฉนวน ค่าความแข็งแรงของฉนวนจะมากกว่าค่าความแข็งแรงของฉนวนอากาศ และวัสดุฉนวนแต่ละชนิดจะมีค่าความแข็งแรงของฉนวนแตกต่างกัน บางชนิดมีค่าน้อย บางชนิดมีค่ามาก ดังนั้น หากใช้ฉนวนไฟฟ้าที่มีค่าความแข็งแรงของฉนวนสูง สนามไฟฟ้าที่สามารถรับได้ก็จะมากขึ้น และแรงดันไฟฟ้าที่สามารถรับได้ก็จะมากขึ้นด้วย หากสนามไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากแผ่นตัวนำสองแผ่นมีค่ามากขึ้น ปริมาณประจุไฟฟ้าที่แผ่นตัวนำสามารถรองรับได้ก็จะมากขึ้นเช่นกัน ยิ่งมีประจุอยู่ภายในแผ่นตัวนำมากเท่าใด ความจุของตัวเก็บประจุก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น