دی الکتریک (Dielectric)

در الکترومغناطیس، یک دی الکتریک، که به عنوان محیط دی الکتریک نیز شناخته می شود، به عنوان یک عایق الکتریکی عمل می کند که در معرض میدان الکتریکی خارجی قرار می گیرد. برخلاف رساناهای الکتریکی، که در آن الکترون‌های آزاد به راحتی جریان می‌یابند، مواد دی‌الکتریک اجازه حرکت بارهای الکتریکی را نمی‌دهند، زیرا الکترون‌های آن‌ها فاقد اتصال سست هستند و از رانش جلوگیری می‌کنند. هنگامی که در معرض یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرند، بارهای درون دی‌الکتریک از موقعیت‌های تعادل متوسط ​​خود تغییر مکان کمی پیدا می‌کنند که منجر به قطب شدن دی الکتریک می‌شود. این پلاریزاسیون شامل جابجایی بارهای مثبت در جهت میدان اعمال شده و بارهای منفی در جهت مخالف است. در نتیجه، یک میدان الکتریکی داخلی تولید می‌شود که کل میدان الکتریکی درون دی الکتریک را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، اگر یک دی الکتریک شامل مولکول‌های با پیوند ضعیف باشد، این مولکول‌ها نه تنها قطبی می‌شوند، بلکه جهت خود را تغییر می‌دهند و محورهای تقارن خود را با میدان اعمال شده همسو می‌کنند.

بررسی خواص دی‌الکتریک بر مکانیسم‌های ذخیره و اتلاف انرژی الکتریکی و مغناطیسی در مواد مختلف متمرکز است. مواد دی الکتریک برای روشن کردن پدیده های متعدد در زمینه های مختلف، از جمله الکترونیک، اپتیک، فیزیک حالت جامد، و بیوفیزیک سلولی بسیار مهم هستند.

اصطلاحات

در حالی که اصطلاح عایق به ماده ای با حداقل رسانش الکتریکی اشاره می کند، دی الکتریک به طور خاص به موادی اشاره دارد که با قطبش پذیری بالا مشخص می شوند. این ویژگی از نظر کمی با مقداری به نام گذردهی نسبی نشان داده می شود. به طور کلی، عایق توانایی یک ماده برای جلوگیری از جریان الکتریکی را توصیف می کند، در حالی که دی الکتریک ظرفیت آن را برای ذخیره انرژی الکتریکی از طریق پلاریزاسیون برجسته می کند. یک تصویر اساسی از یک دی الکتریک، ماده عایق الکتریکی است که بین صفحات فلزی یک خازن قرار دارد. پلاریزاسیون القا شده در دی الکتریک توسط یک میدان الکتریکی خارجی، بار سطحی خازن را برای یک قدرت میدان الکتریکی مشخص افزایش می دهد.

نام دی الکتریک توسط ویلیام ویول، ترکیبی از dia و الکتریک، به دستور tric

حساسیت الکتریکی

حساسیت الکتریکی، به عنوان ${\displaystyle \chi _{e}}$، سهولت پلاریزه شدن یک ماده دی الکتریک را هنگام قرار گرفتن در معرض میدان الکتریکی کمیت می کند. این مشخصه متعاقباً میزان گذردهی الکتریکی ماده را دیکته می‌کند، در نتیجه مجموعه وسیعی از پدیده‌ها را در آن محیط تحت تأثیر قرار می‌دهد، از ظرفیت خازن تا سرعت نور.

این حساسیت به‌طور رسمی به عنوان ثابت تناسب تعریف می‌شود، که می‌تواند یک تانسور باشد و رابطه بین یک میدان الکتریکی را برقرار می‌کند. \mathbf {E} }" xmlns="w3.org/1998/Math/MathML"> <معناشناسی> E {\displaystyle \mathbf {E} } و چگالی قطبش دی الکتریک ناشی از آن ${\displaystyle \mathbf {P} }$، که با معادله زیر بیان می شود:

18§ χ e E ، {\displaystyle \mathbf {P} =\varepsilon _{0}\chi _{e}\mathbf {E} ,}

در این معادله، 12§ {\displaystyle \varepsilon _{0}} گذردهی الکتریکی فضای آزاد را نشان می‌دهد.

میزان نفوذپذیری یک محیط معین با گذردهی نسبی آن مرتبط است که به عنوان ${\displaystyle \varepsilon _{r}}$، از طریق رابطه زیر:

$${\displaystyle \chi _{e}\ =\varepsilon _{r}-1.}$$

در نتیجه، برای خلاء کلاسیک،

جابه‌جایی الکتریکی، با ${\displaystyle \mathbf {D} }$، رابطه‌ای با چگالی قطبش حفظ می‌کند که با ${\displaystyle \mathbf {P} }$، به شرح زیر:

X mathvariant="bold">D = ε<!-- ε --> §212§rowm>2§rowm> class="MJX-TeXAtom-ORD">E + P  >  ε §4647§ ( §5354§ + χ! class="MJX-TeXAtom-ORD"> e ) E   ε §8687§ ε §8687§ ε E . {\displaystyle \mathbf {D} \ =\ \{0}Varepsilon =\ \varepsilon _{0}\left(1+\chi _{e}\right)\mathbf {E} \ =\ \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}\mathbf {E} .}

پراکندگی و علیت

معمولاً، وقتی مواد در معرض میدان خارجی قرار می‌گیرند، قطبش آنی از خود نشان نمی‌دهند. در نتیجه، یک فرمول جامع‌تر، که به عنوان تابعی از زمان بیان می‌شود، به صورت زیر ارائه می‌شود:

24§m> s ∫ − ∞ χ e ( t −> ′ ) E ( t stretchy="false"> d t ′ . {ont=play="application/x-tex">{onth=play" _{0}\int _{-\infty }^{t}\chi _{e}\left(t-t'\right)\mathbf {E} (t')\,dt'.}

قطبش به عنوان یک پیچیدگی میدان الکتریکی از لحظات قبلی با حساسیت وابسته به زمان تعریف می‌شود که به صورت ${\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)}$. حد بالایی این انتگرال را می توان تا بی نهایت با قید اینکه ${\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)=\chi _{e}\tadel$.

برای سیستم های خطی، اغلب کاربردی تر است که تبدیل فوریه را اعمال کنیم و این رابطه را به عنوان تابعی از فرکانس بیان کنیم. در نتیجه، قضیه کانولوشن انتگرال را به یک محصول مستقیم ساده می کند: <-m> class="MJX-TeXAtom-ORD"> e ( ω ) stretchy="false">( ω ) . {\displaystyle \mathbf {P} (\omegasil )_{0}chi _{0} )\mathbf {E} (\omega).} .

حساسیت یا معادل آن، گذرا بودن، وابستگی به فرکانس را نشان می دهد. این تنوع وابسته به فرکانس در حساسیت، ویژگی های پراکندگی ماده را مشخص می کند.

علاوه بر این، اصل علیت حکم می‌کند که پلاریزاسیون فقط می‌تواند تحت تأثیر میدان‌های الکتریکی قبلی باشد (به‌ویژه، ${\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)=0}$panthation> < §4950§ {\displaystyle \Delta t<0} ). این محدودیت‌های Kramers–Kronig را بر هر دو مؤلفه واقعی و خیالی حساسیت تحمیل می‌کند. displaystyle="true" scriptlevel="0"> χ e ( ω ^ ( ω ) = ε ∞ + Δ ε §5051§ + i ω τ = ε + i ε ″ ، {\displaystyle {\hat {\varepsilon }}(\omega )=\varepsilon _{\infty }+{\frac {\Delta \varepsilon }{1+i\omega \tau }}=\varepsilon '+i\\varepsilon '+i\varepsilon

در این معادله، ε_∞ گذردهی در حد فرکانس بالا را نشان می دهد، Δε به صورت ε_s − pan/>pan/i> تعریف می شود. ε_s نشان‌دهنده گذردهی ثابت و فرکانس پایین است و τ نشان‌دهنده زمان استراحت مشخصه ذاتی محیط است. تجزیه گذردهی پیچیده دی الکتریک به جزء واقعی آن، ${\displaystyle \varepsilon '}$، و جزء خیالی آن، ${\displaystyle \varepsilon ''}$، به این صورت است:

$${\displaystyle {\hat {\varepsilon }}(\omega )}$$ --->4 i ω τ {\displaystyle 1-i\omega \tau } آن این تغییر از یک ابهام قراردادی علامت مداوم در نمایش وابستگی زمانی میدان الکتریکی پیچیده ناشی می‌شود. به طور خاص، برخی منابع علمی از ، در حالی که سایرین از استفاده می‌کنند. exp ⁡ ( + i --/-> stretchy="false">) {\displaystyle \exp(+i\omega t)} . طبق قرارداد قبلی، اجزای واقعی و خیالی، و ε ″ play ''} به ترتیب با

تلفات دی الکتریک با مماس تلفات نیز مشخص می شود:

$${\displaystyle \tan(\delta )={\frac {\varepsilon ''}{\varepsilon '}}={\frac {\left(\varepsilon _{s}-\varepsilon _{\infty }\right)\omegavar \\ epsilon }{\/varepsilon _{\infty }\omega ^{2}\tau ^{2}}}}$$

مدل آرامش دبی، که توسط فیزیکدان پیتر دبی در سال 1913 معرفی شد، فرآیندهای قطبش پویا را مشخص می‌کند که یک زمان آرامش واحد را نشان می‌دهند.

انواع معادله Debye

معادله کول-کول

این معادله زمانی اعمال می‌شود که پیک تلفات دی الکتریک گسترش متقارن را نشان دهد.

معادله کول- دیویدسون

این معادله برای موقعیت هایی استفاده می شود که پیک تلفات دی الکتریک گسترش نامتقارن را نشان می دهد.

آرامش هاوریلیاک–نگامی

این معادله هر دو پدیده گسترش متقارن و نامتقارن را به حساب می‌آورد.

تابع Kohlrausch–Williams–Watts

این تابع تبدیل فوریه یک تابع نمایی کشیده را نشان می دهد.

قانون کوری-فون شوایدلر

این قانون پاسخ مواد دی الکتریک را به میدان جریان مستقیم اعمالی (DC) توصیف می‌کند، که نشان‌دهنده رفتار سازگار با قانون توان است، که می‌تواند به عنوان یک توابع نمایی وزنی انتگرال فرموله شود.

تقریبا جورجویچ–سارکار

این تقریب زمانی استفاده می‌شود که تلفات دی‌الکتریک در طیف وسیعی از فرکانس‌ها تقریباً ثابت بماند.

پاراالکتریک

پارالکتریکی رفتار مشخصه دی الکتریک ها را نشان می دهد که در آن تانسور گذردهی دی الکتریک با ماتریس واحد متناسب است. این بدان معناست که یک میدان الکتریکی خارجی باعث پلاریزاسیون و/یا هم ترازی دوقطبی ها منحصراً موازی با میدان اعمال شده می شود. برخلاف مواد پارامغناطیس، مواد پارالکتریک نیازی به وجود دوقطبی های الکتریکی دائمی ندارند. با حذف میدان های خارجی، قطبش دوقطبی به صفر برمی گردد. مکانیسم‌های اساسی که به رفتار پارالکتریک کمک می‌کنند شامل اعوجاج یون‌های منفرد (که به صورت جابجایی ابر الکترونی از هسته آشکار می‌شود) و قطبش مولکول‌ها، ترکیب‌های یونی، یا نقص‌های شبکه است.

پاراالکتریک می‌تواند در فازهای کریستالی که در آن دوقطبی‌های الکتریکی در ابتدا ناهم تراز هستند، ظاهر شود، در نتیجه دارای ظرفیت همسو شدن در زیر میدان الکتریکی خارجی و در نتیجه تضعیف آن است.

اکثر مواد دی‌الکتریک خواص پاراالکتریک از خود نشان می‌دهند. تیتانات استرانسیوم به عنوان مثال قابل توجهی از مواد پاراالکتریک است که با ثابت دی الکتریک بالا مشخص می شود.

کریستال LiNbO₃ رفتار فروالکتریک زیر 1430 K را نشان می دهد. با این حال، بیش از این دما باعث تبدیل به یک فاز پارالکتریک بی نظم می شود. به طور مشابه، سایر مواد پروسکایت نیز در دماهای بالا پارالکتریکی را نشان می دهند.

پارا الکتریک مکانیزم بالقوه ای برای کاربردهای تبرید ارائه می دهد. تحت شرایط آدیاباتیک، اعمال میدان الکتریکی به یک ماده پارالکتریک باعث افزایش دما می شود، در حالی که حذف آن منجر به کاهش دما می شود. یک چرخه تبرید را می توان از طریق یک طراحی پمپ حرارتی که شامل پلاریزه کردن پارالکتریک است، به آن اجازه می دهد تا با اتلاف گرمای اضافی، دمای محیط را متعادل کند، متعاقباً آن را در تماس حرارتی با جسم مورد نظر قرار دهد و سپس آن را دپلاریزه کند.

تنظیم پذیری

دی‌الکتریک‌های قابل تنظیم مواد عایق‌ای هستند که با گذردهی مشخص می‌شوند که در پاسخ به میدان الکتریکی اعمال‌شده متفاوت است.

تیتانات استرانسیوم (SrTiO^7§) معمولاً در کاربردهای دمای پایین استفاده می شود، در حالی که باریم استرانسیم تیتانات (Ba
_1-xSr
_xTiO> ^{style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">}
§35^36§

در سال 2013، یک ماده دی‌الکتریک با قابلیت کار در فرکانس‌های تا 125 گیگاهرتز با استفاده از لایه‌های چند ورقه‌ای از تیتانات استرانسیوم با لایه‌های تک لایه اکسید استرونت ساخته شد. این ماده از طریق اپیتاکسی پرتو مولکولی سنتز شد. عدم تطابق کریستالوگرافی بین این دو جزء باعث ایجاد فشار در لایه‌های تیتانات استرانسیم می‌شود و در نتیجه پایداری و قابلیت تنظیم آن‌ها را کاهش می‌دهد.

موادی مانند Ba^1−xسرxTiO
^{style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">25§} یک انتقال فاز پاراالکتریک به فروالکتریک را کمی کمتر از دمای محیط نشان می دهد که به قابلیت تنظیم بالای آنها کمک می کند. با این حال، لایه‌های نازک این مواد اغلب به دلیل نقص‌های ذاتی تلفات قابل توجهی را متحمل می‌شوند.

برنامه ها

خازن

خازن‌های تجاری معمولاً از یک ماده دی الکتریک جامد با گذردهی بالا استفاده می‌کنند که به عنوان واسطه‌ای عمل می‌کند که بارهای مثبت و منفی ذخیره شده را جدا می‌کند. در گفتمان فنی، این ماده اغلب دی الکتریک خازن نامیده می شود.

یک مزیت اصلی استفاده از چنین ماده دی الکتریک، نقش آن در جلوگیری از تماس مستقیم الکتریکی بین صفحات رسانا است، جایی که بارها انباشته می شوند. مهمتر از همه، گذردهی بالا ذخیره مقدار شارژ بیشتری را برای یک ولتاژ مشخص امکان پذیر می کند. این اصل با در نظر گرفتن یک دی الکتریک خطی با گذردهی ε و ضخامت d که بین دو صفحه رسانا قرار گرفته است، قابل اثبات است که هر کدام چگالی بار یکنواخت σ_ε را نشان می دهند. تحت این شرایط، چگالی شارژ به صورت زیر تعریف می‌شود:

$${\displaystyle \sigma _{\varepsilon }=\varepsilon {\frac {V}{d}}}$$

در نتیجه، ظرفیت خازنی در واحد سطح به صورت زیر بیان می‌شود:

${\displaystyle c={\frac {\sigma _{\varepsilon }}{V}}={\frac {\varepsilon }{d}}}$

این روابط به وضوح نشان می دهد که افزایش گذردهی، ε، منجر به بار ذخیره شده بیشتر و در نتیجه، ظرفیت بالاتر می شود.

مواد دی الکتریک انتخاب شده برای کاربردهای خازن نیز با مقاومت آنها در برابر یونیزاسیون مشخص می شوند. این ویژگی خازن را قادر می سازد تا در ولتاژهای بالا بدون یونیزه شدن دی الکتریک عایق و شروع جریان نامطلوب عمل کند.

رزوناتور دی الکتریک

یک نوسان ساز تشدید کننده دی الکتریک (DRO) یک جزء الکترونیکی را تشکیل می دهد که پاسخ قطبش تشدید را در یک باند فرکانس باریک، معمولاً در طیف مایکروویو نشان می دهد. از یک پیک سرامیکی تشکیل شده است که با ثابت دی الکتریک بالا و ضریب اتلاف کم مشخص می شود. این تشدید کننده ها اغلب برای ایجاد یک مرجع فرکانس پایدار در مدارهای نوسانگر استفاده می شوند. علاوه بر این، یک تشدید کننده دی الکتریک بدون محافظ می تواند به عنوان یک آنتن تشدید کننده دی الکتریک (DRA) عمل کند.

لایه های نازک BST

آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش ایالات متحده (ARL) از سال 2002 تا 2004 تحقیقاتی را بر روی فناوری لایه نازک انجام داد. این تحقیق بر روی باریم استرانسیوم تیتانات (BST)، یک لایه نازک فروالکتریک، به دلیل پتانسیل آن در ساخت فرکانس رادیویی و اجزای مایکروویو، از جمله فیلترهای ولتاژ کنترل‌شده، فیلترهای ولتاژ کنترل‌شده، فیلترهای ولتاژ کنترل‌شده، نوسان‌کننده‌های تابشی، متمرکز شد. با هدف تجهیز ارتش به مواد بسیار قابل تنظیم و سازگار با مایکروویو مناسب برای دستگاه های قابل تنظیم میدان الکتریکی پهن باند، تضمین عملکرد ثابت در دماهای شدید. این پروژه قابلیت تنظیم باریم استرانسیوم تیتانات حجیم را افزایش داد، ماده ای که برای فعال کردن اجزای الکترونیکی لایه نازک بسیار مهم است.

یک مقاله تحقیقاتی در سال 2004 توسط محققان ARL ایالات متحده، تأثیر قابل توجه غلظت‌های ناخالص پذیرنده را بر خواص مواد فروالکتریک مانند BSTInvestignp>معرفی کرد.

لایه‌های نازک، متعاقباً ساختار حاصل، ریزساختار، مورفولوژی سطح و کیفیت ترکیبی لایه / بستر را تجزیه و تحلیل می‌کنند. فیلم های BST دوپ شده با منیزیم خواص دی الکتریک بهبود یافته، جریان نشتی کاهش یافته و قابلیت تنظیم مطلوب را نشان می دهند که نشان دهنده کاربرد بالقوه آنها در دستگاه های قابل تنظیم مایکروویو است.

مواد دی الکتریک عملی

مواد دی الکتریک شامل جامدات، مایعات و گازها می شود. به طور قابل‌توجهی، خلاء بالا می‌تواند به‌عنوان یک دی‌الکتریک بسیار مؤثر و تقریباً بدون تلفات عمل کند، علی‌رغم داشتن یک واحد دی‌الکتریک نسبی.

در مهندسی برق، دی‌الکتریک‌های جامد احتمالاً رایج‌ترین هستند، با مواد جامد متعدد به عنوان عایق‌های عالی عمل می‌کنند. نمونه های آن عبارتند از چینی، شیشه و بیشتر پلاستیک ها. در میان دی الکتریک های گازی، هوا، نیتروژن و هگزافلوورید گوگرد بیشترین استفاده را دارند.

• پوشش‌های صنعتی، مانند پاریلن، یک مانع دی الکتریک ایجاد می‌کنند که بستر را از محیط اطراف آن جدا می‌کند.
• روغن معدنی به طور گسترده در ترانسفورماتورهای الکتریکی استفاده می شود و هم به عنوان دی الکتریک سیال و هم به عنوان یک عامل خنک کننده عمل می کند. سیالات دی الکتریک که دارای ثابت دی الکتریک بالاتری هستند، مانند روغن کرچک درجه الکتریکی، اغلب در خازن های ولتاژ بالا گنجانده می شوند تا تخلیه کرونا و افزایش ظرفیت خازنی را کاهش دهند.
سطوح دی الکتریک به دلیل مقاومت در برابر جریان الکتریکی، می توانند بارهای الکتریکی اضافی رشته ای را جمع کنند. این پدیده می تواند به طور ناخواسته از طریق اصطکاک رخ دهد که به عنوان اثر تریبوالکتریک شناخته می شود. در حالی که در کاربردهایی مانند ژنراتورهای Van de Graaff یا الکتروفوری مفید است، می‌تواند مضر باشد، همانطور که در رویدادهای تخلیه الکترواستاتیک دیده می‌شود.
• دی‌الکتریک‌های مهندسی شده خاص، که الکتریک نامیده می‌شوند (متمایز از فروالکتریک)، می‌توانند بار داخلی اضافی یا قطبش "یخ زده" را حفظ کنند. الکتروت ها دارای یک میدان الکتریکی نیمه دائمی هستند که به عنوان آنالوگ الکترواستاتیک آهنربا عمل می کنند. این مواد کاربردهای عملی گسترده‌ای در محیط‌های خانگی و صنعتی پیدا می‌کنند که نمونه آن استفاده در میکروفون‌های الکتریکی موجود در تلفن‌ها، هدست‌ها و ضبط‌کننده‌های ویدئویی است.
• برخی دی‌الکتریک‌ها توانایی ایجاد اختلاف پتانسیل را هنگامی که تحت فشار مکانیکی قرار می‌گیرند، نشان می‌دهند، یا برعکس، زمانی که یک ولتاژ خارجی در آنها اعمال می‌شود، شکل فیزیکی خود را تغییر می‌دهند. این ویژگی به عنوان پیزوالکتریک شناخته می شود و مواد پیزوالکتریک را به یک دسته خاص از دی الکتریک ها تبدیل می کند.
یک گشتاور دوقطبی خودبه‌خود، قابل برگشت توسط یک میدان الکتریکی اعمال‌شده خارجی، در برخی از کریستال‌های یونی و دی‌الکتریک‌های پلیمری مشاهده می‌شود. این پدیده اثر فروالکتریک نامیده می شود. این مواد رفتاری مشابه با مواد فرومغناطیسی در یک میدان مغناطیسی خارجی از خود نشان می دهند. مواد فروالکتریک اغلب دارای ثابت های دی الکتریک فوق العاده بالایی هستند که آنها را برای کاربردهای خازن بسیار مناسب می کند.

مراجع

مراجع

جکسون، جان دیوید (10 اوت 1998) [1962]. الکترودینامیک کلاسیک (ویرایش سوم). جان وایلی & پسران شابک 978-0-471-30932-1. OCLC 535998.

• جکسون، جان دیوید (10 اوت 1998) [1962]. الکترودینامیک کلاسیک (ویرایش سوم). جان وایلی & پسران ISBN 978-0-471-30932-1. OCLC 535998.Scaife, Brendan K. P. (3 سپتامبر 1998). اصول دی الکتریک. مونوگرافهایی در مورد فیزیک و شیمی مواد (ویرایش دوم). انتشارات دانشگاه آکسفورد. ISBN 978-0-198-56557-4.
  • سخنرانی فاینمن در مورد دی الکتریک
  • انتشار IT برای ارتقاء علم مواد (DoITPoMS) بسته آموزشی و یادگیری "مواد دی الکتریک" از دانشگاه کمبریج
  • متون در ویکی‌نبشته:
    • "دی الکتریک". دایره المعارف آمریکایی. 1920."دی الکتریک". دایره المعارف بریتانیکا (ویرایش یازدهم). 1911.منبع: بایگانی آکادمی TORIma