ضریب دی الکتریک چیست و چه کاربردهایی دارد؟

ضریب دی الکتریک که با عنوان گذردهی نسبی نیز شناخته می‌شود، عبارت است از اندازه‌گیری توانایی یک ماده به منظور ذخیره انرژی الکتریکی در یک میدان الکتریکی.

در واقع این پارامتر مقدار ثابتی است که به شما می‌گوید نیروی الکتریکی چقدر قوی است.

در این مقاله به بررسی ضریب دی الکتریک، نحوه کارکرد، عوامل مؤثر بر آن، علل اهمیت، کاربردها و فرمول آن خواهیم پرداخت.

1# ضریب دی الکتریک چیست؟

ضریب دی الکتریک به عنوان نسبت چگالی شار الکتریکی در یک ماده به چگالی شار الکتریکی در خلأ تعریف می‌شود.

ماده‌ای با ضریب دی الکتریک بالا می‌تواند انرژی الکتریکی بیشتری نسبت به ماده‌ای با ضریب دی الکتریک پایین ذخیره کند.

این پارامتر معمولاً با نماد ε (epsilon) نشان داده می‌شود.

به عبارت ساده، وقتی میدان الکتریکی را به ماده‌ای با ضریب دی الکتریک بالا اعمال کنیم، بارهای الکتریکی درون ماده، قطبی می‌شوند.

بدین معنا که بارها با جهت میدان الکتریکی همسو می‌شوند.

این حالت پلاریزه به مواد اجازه می‌دهد تا انرژی الکتریکی بیشتری ذخیره کنند.

به بیان دیگر می‌توان گفت که این ضریب ویژگی مهم دسته ای از مواد عایق به نام مواد دی الکتریک است.

این عامل مسئول ظرفیت خازنی است.

ضریب دی الکتریک به عنوان نسبت مقدار ظرفیت خازن با دی الکتریک و خازن یکسان با هندسه یکسان با خلأ به جای ماده تعریف می‌شود.

این پارامتر به عنوان گذردهی نسبی نیز شناخته می‌شود و نسبت گذردهی یک محیط به خلأ است که یک ویژگی حیاتی در هنگام طراحی یک خازن است.

انرژی ذخیره شده در خازن نیز تابعی از این ضریب است و به نسبت مستقیم با این ثابت برای یک هندسه معین افزایش می‌یابد.

اندازه خازن به نسبت معکوس ضریب دی الکتریک کاهش می‌یابد و یک طراح همیشه به دنبال موادی است که بتواند اندازه خازن را برای مقدار معین برای یک ولتاژ معین کاهش دهد؛ به عنوان مثال، سرامیک‌ها دارای ثابت دی الکتریک چند هزار هستند.

ضریب دی الکتریک در یک ماده می‌تواند با ضریب در خلأ متفاوت باشد؛ زیرا در بسیاری از مواد، اتم‌ها یا مولکول‌ها می‌توانند قطبی شوند به این معنا که بارهای مثبت از نظر هندسی از بارهای منفی جدا می‌شوند.

این امر می‌تواند، قدرت مؤثر نیروی الکتریکی در این مواد را تغییر دهد.

1-1# ضریب دی الکتریک پیچیده چیست؟

یک ضریب دی الکتریک پیچیده، برای توصیف ضریب دی الکتریک در طول یک تغییر تناوبی میدان الکتریکی استفاده می‌شود، جایی که تغییرات میدان توسط یک شکل موج سینوسی توصیف می‌شود.

جایی که قسمت واقعی مؤلفه گذردهی، انرژی ذخیره شده (یعنی بخشی که مستقیماً با دامنه میدان متناسب است) و بخش موهومی را به شکل کمی در می‌آورد.

ضریب تلفات دی الکتریک که بخشی از انرژی الکتریکی را توصیف می‌کند در اثر حرکت مولکول ها یا یون‌ها در نتیجه تغییر مداوم میدان از دست می‌رود. (سهم این جزء متناسب با سرعت تغییر میدان الکتریکی است یا اولین مشتق تابع میدان الکتریکی)

این جزء همچنین باعث ایجاد اختلاف فاز بین تابع میدان و قطبش حاصل می‌شود.

بدون این جزء، هر دو کاملاً در فاز خواهند بود و هر دو مؤلفه به فرکانس تغییرات میدان بستگی دارند.

2-1# مواد دی الکتریک

برخی از مواد دی الکتریک رایج عبارت اند از:

• خلأ: دارای ثابت دی الکتریک 1 است.
• هوا: دارای ثابت دی الکتریک تقریباً 100059 است.
• آب: دارای ثابت دی الکتریک تقریباً 80 است.
• شیشه: دارای ثابت دی الکتریک تقریباً 4 تا 10 است.
• سرامیک: دارای ثابت دی الکتریک بین 10 تا 1000 هستند.
• پلیمرها: دارای ثابت دی الکتریک بین 2 تا 10 هستند.

این پارامتر یک ویژگی مهم مواد است که در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این معیاری است که نشان می‌دهد، یک ماده چقدر میدان الکتریکی درون خود را کاهش می‌دهد و تحت تأثیر عواملی مانند قطبش پذیری، چگالی و دما قرار می‌گیرد.

3-1# ضریب دی الکتریک برای مواد مختلف

این پارامتر توانایی مواد برای ذخیره انرژی الکتریکی است.

مقادیر معمولی ضریب دی الکتریک برای مواد مختلف عبارت اند از:

ضریب دی الکتریک	مواد
1000	خلأ
1.0059	هوای خشک
1.6	فوم پلی اتیلن
2.0	فلوروپلیمرها
2.1	پلی پروپیلین
2.3	لاستیک بوتیل
2.9	SBR
3.2	لاستیک سیلیکونی
3.4	PLEXIGLAS
4.0	پی وی سی
3.8 – 14.5	شیشه
80	آب مقطر

4-1# تعیین قطبیت پلیمر

ساختار پلیمرهای دی الکتریک، قطبی یا غیرقطبی بودن یک پلیمر را تعیین می‌کند.

این به نوبه خود خواص الکتریکی پلیمر را تعیین خواهد کرد.

1) پلیمرهای قطبی

ویژگی پلیمرهای قطبی به صورت زیر است:

• در پلیمرهای قطبی، دو قطبی‌ها به دلیل عدم تعادل در توزیع الکترون‌ها ایجاد می‌شوند.
• این دو قطبی‌ها تمایل دارند در حضور میدان الکتریکی همسو شوند.
• قطبش دو قطبی در مواد ایجاد می‌شود.
  این امر سبب می‌شود که مواد به خوبی عایق‌ها باشند و به شکلی مناسب کار کنند.
• پلاستیک‌های قطبی رطوبت جو را جذب می‌کنند.
  وجود رطوبت ضریب دی الکتریک را افزایش می‌دهد و مقاومت را کاهش خواهد داد.
• با افزایش دما، حرکت زنجیره‌های پلیمری سریع ‌تر می‌شود و هم ‌ترازی سریعی در دو قطبی‌ها وجود خواهد داشت.
  این امر باعث افزایش مقادیر دی الکتریک برای مواد قطبی خواهد شد.

2) پلیمرهای غیر قطبی

ویژگی پلیمرهای غیر قطبی نیز به صورت زیر است:

• پلیمرهای غیر قطبی دارای مولکول‌های متقارن و کووالانسی هستند.
• هیچ دوقطبی ای در آنها وجود ندارد. از این رو، وجود میدان الکتریکی دوقطبی‌ها را تراز نمی‌کند.
• اما قطبش جزئی الکترون به دلیل حرکت الکترون‌ها در جهت میدان الکتریکی رخ می‌دهد که یک امر آنی است.
• این پلیمرها مقاومت بالا و ضریب دی الکتریک پایینی دارند.
• پلاستیک‌های غیر قطبی تحت تأثیر رطوبت و افزایش دما قرار نمی‌گیرند.

2# علت ضریب دی الکتریک بالای آب چیست؟

در سطح اتمی، یک مولکول آب دارای یک اتم بزرگ اکسیژن در مرکز و دو اتم هیدروژن، در هر دو طرف اکسیژن است.

با این حال، به دلیل وجود قوانین فیزیکی در سطح زیر اتمی، مکان پایدار هیدروژن‌ها در طرف مقابل اکسیژن نیست؛ بلکه در زاویه نسبت به اکسیژن قرار دارند، اگر اکسیژن را در مرکز یک چهار وجهی تصور کنید. (ساده ترین جامد 4 وجهی)، هیدروژن‌ها دو نقطه از چهار وجه را اشغال می‌کنند. (در واقع این موضوع درست نیست؛ اما تجسم را آسان تر می‌کند.)

از آنجایی که الکترون‌های اکسیژن بیشتر وقت خود را در مجاورت هیدروژن‌ها می‌گذرانند، در نتیجه اکسیژن دارای بار متوسط ​​کمی مثبت و هیدروژن‌ها دارای بار متوسط ​​کمی منفی است.

این جداسازی بار متوسط، سبب​ می‌شود که آب یک گشتاور دوقطبی عظیم داشته باشد.

نتیجه این امر به وجود آمدن یک ضریب دی الکتریک بزرگ است. (و بسیاری از خواص بی نظیر آب)

3# ثابت دی الکتریک چگونه کار می‌کند؟

ماده‌ای با ضریب دی الکتریک بالا می‌تواند انرژی الکتریکی بیشتری نسبت به ماده ای با ضریب پایین ذخیره کند.

به عنوان مثال، خازنی با مواد دی الکتریک بالا بین صفحات خود ظرفیت بیشتری دارد و می‌تواند انرژی الکتریکی بیشتری را نسبت به خازنی با مواد دی الکتریک پایین بین صفحات خود ذخیره کند.

ضریب دی الکتریک یک ماده می‌تواند تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند دما، فرکانس و وجود مواد دیگر قرار گیرد.

به عنوان مثال، ثابت دی الکتریک یک ماده می‌تواند با فرکانس تغییر کند.

4# عوامل مؤثر بر این پارامتر

عوامل خاصی وجود دارند که می‌توانند بر این پارامتر تأثیر بگذارند و عبارت اند از:

• فرکانس: با مقدار بالاتر در فرکانس‌های پایین تر و مقدار کمتر در فرکانس‌های بالاتر.
  در فرکانس‌های پایین‌‌تر، مولکول‌ها زمان بیشتری برای تراز و پلاریزه شدن دارند، در حالی که در فرکانس‌های بالاتر زمان کافی برای تراز کردن ندارند.
• دما: ضریب دی الکتریک به صورت کلی با دما افزایش می‌یابد؛ زیرا افزایش حرکت حرارتی مولکول‌ها در ماده منجر به قطبش بیشتر خواهد شد.
• چگالی: ضریب دی الکتریک یک ماده با چگالی ماده نسبت معکوس دارد.
• فشار: ضریب دی الکتریک یک ماده نیز تحت تأثیر فشار قرار می‌گیرد.
  با افزایش فشار، ضریب دی الکتریک کاهش می‌یابد.
• رطوبت: ضریب دی الکتریک در حضور رطوبت افزایش می‌یابد.
• ولتاژ: ضریب دی الکتریک در حضور ولتاژ با جریان مستقیم کاهش می‌یابد.
• ناخالصی‌ها: وجود ناخالصی در یک ماده می‌تواند بر ثایت دی الکتریک آن نیز تأثیر بگذارد و ناخالصی‌ها می‌توانند تراز مولکول‌های موجود در مواد را مختل کنند که این امر توانایی آنها را برای ذخیره انرژی الکتریکی کاهش می‌دهد.
• ساختار کریستالی: ساختار کریستالی یک ماده می‌تواند بر ضریب دی الکتریک آن نیز تأثیر بگذارد؛ زیرا ساختار کریستالی آرایش مولکول‌ها را در ماده تعیین می‌کند که به نوبه خود بر توانایی آنها برای همسویی با میدان الکتریکی تأثیر می‌گذارد.

5# علل اهمیت ضریب دی الکتریک

ضریب دی الکتریک، یک پارامتر مهم در بسیاری از زمینه‌های مهندسی و فیزیک است؛ زیرا بر عملکرد بسیاری از دستگاه‌های الکتریکی، نوری و حسگر تأثیر می‌گذارد.

در مهندسی برق از این پارامتر در طراحی موارد زیر استفاده می‌کنیم:

• خازن‌ها
• عایق‌های الکتریکی
• آنتن‌ها
• خطوط انتقال

ماده ای با ضریب دی الکتریک بالا دارای ظرفیت خازنی و استحکام شکست الکتریکی بالاتری است و در عین حال بر الگوی تابش و راندمان انتقال آنتن تأثیر می‌گذارد، نه این که به تضعیف خط انتقال اشاره کنیم.

خازن‌ها، مهمترین کاربرد خواص دی الکتریک هستند؛ زیرا یکی از اساسی ترین اجزای الکتریکی در هر مدار الکترونیکی هستند که تقریباً در هر مدار عملی وجود دارند.

چیزی به اندازه تبدیل AC به DC نیاز به خازن دارد تا سیگنال را صاف کند.

تحقیقات در مورد خواص دی الکتریک همچنان بر جذب خازن‌ها برای ذخیره انرژی بیشتر متمرکز است.

راه‌حل‌های قبلی شامل تغییر مواد مورد استفاده در خازن‌ها یا نازک کردن مواد تا حد امکان بود.

با این حال، امروزه تحقیقاتی در مورد فوق خازن‌ها یا ابر خازن‌ها انجام می‌شود که خازن‌ها را واقعاً مجبور می‌کنند تا مقدار زیادی شارژ را اشغال کنند.

هدف رقابت با باتری‌ها از نظر خازن و در عین حال حفظ توانایی تخلیه سریع است.

همچنین از خازن‌ها در کاربردهای فرکانس بالا استفاده می‌شود. به امواج رادیویی فکر کنید.

در اوایل مشخص شد که ضریب دی الکتریک در واقع یک مقدار ثابت نیست و در واقع تابعی از فرکانس است.

تقریباً هر وسیله الکترونیکی که ما استفاده می‌کنیم، یک خازن دارد و حتی آن خازن‌ها نیز باید به دقت برای کارشان انتخاب شوند.

برای این که واقعاً بتوانیم خازن‌ها را تنظیم کنیم، باید خواص دی الکتریک مواد را درک کنیم.

6# فرمول ضریب ثابت دی الکتریک

این پارامتر با حرف یونانی epsilon (ϵ) و با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

که در آن:

• ϵ: ثابت دی الکتریک است.
• C: ظرفیت خازن با ماده دی الکتریک است.
• C₀: ظرفیت همان خازن با خلأ دی الکتریک است.

7# روش‌های محاسبه

تست‌های استاندارد برای محاسبه این پارامتر در پلاستیک‌ها به صورت زیر هستند:

• ASTM D2520: این یک روش تست استاندارد برای اندازه گیری ضریب دی الکتریک است که طی آن، مواد عایق الکتریکی جامد اندازه گیری می‌شوند.
• ASTM D150: ضریب دی الکتریک را تعیین می‌کند که طی آن، مواد عایق الکتریکی جامد و مایع اندازه گیری می‌شوند.
• IEC 62631-2-1:2018: ضریب دی الکتریک را اندازه می‌گیرد. همچنین ضریب اتلاف را نیز تعیین می‌کند.

1-7# مراحل محاسبه

مراحل اندازه گیری ضریب دی الکتریک به صورت زیر هستند:

1. در مرحله اول، یک نمونه بین دو صفحه فلزی قرار می‌گیرد و ظرفیت آن اندازه گیری می‌شود.
2. در مرحله دوم، بدون وجود نمونه، ظرفیت بین دو الکترود اندازه گیری می‌شود.
3. نسبت این دو مقدار ضریب دی الکتریک است.
4. آزمایش را می‌توان در فرکانس‌های مختلف، اغلب بین محدوده 10 هرتز و 2 مگاهرتز انجام داد.
5. نمونه باید صاف و بزرگتر از الکترودهای دایره ای 50 میلی متری (2 اینچی) مورد استفاده برای اندازه گیری باشد.

8# کاربردهای ضریب دی الکتریک

این پارامتر کاربردهای عملی زیادی به خصوص در مهندسی برق دارد که در ادامه به بررسی آنها خواهیم پرداخت.

1-8# طراحی خازن

در طراحی خازن‌ها، ضریب دی الکتریک پارامتر مشخص‌کننده ماده‌ای است که به عنوان عایق بین صفحات خازن استفاده می‌شود و بر ظرفیت خازن تاثیر می‌گذارد.

ماده ای با ضریب دی الکتریک بالا به خازن اجازه می‌دهد، انرژی الکتریکی بیشتری نسبت به ماده‌ای با ضریب دی الکتریک پایین ذخیره کند.

2-8# طراحی عایق الکتریکی

در طراحی عایق الکتریکی، ماده‌ای با ضریب دی الکتریک بالا، قدرت شکست الکتریکی بالایی خواهد داشت.

این بدان معنا است که می‌تواند، قبل از شکستن و اجازه دادن به حرکت جریان، ولتاژ بالاتری را تحمل کند.

3-8# آنتن و خطوط انتقال

در طراحی آنتن‌ها و خطوط انتقال، این پارامتر می‌تواند بر الگوی تابش و راندمان انتقال آنتن و همچنین تضعیف خط انتقال تأثیر بگذارد.

4-8# دستگاه‌های نوری و حسگر

در اپتیک، ماده‌ای با ضریب دی الکتریک بالا دارای ضریب شکست بالایی است، به این معنا که می‌تواند، نور را بیشتر از ماده ای با ضریب دی الکتریک پایین خم کند.

علاوه بر این، ضریب دی الکتریک در بسیاری از کاربردهای حسگری، مانند سنسورهای خازنی، طیف ‌سنجی دی الکتریک و تصویربرداری گذردهی استفاده می‌شود.

5-8# ذخیره انرژی

توانایی یک ماده برای ذخیره انرژی الکتریکی به عنوان تابعی از ثابت دی الکتریک آن است که ماده را در کاربردهایی مانند دستگاه‌های ذخیره انرژی، از جمله خازن‌ها و انواع خاصی از باتری‌ها مهم و حائز اهمیت می‌کند.

6-8# انتقال میدان‌های الکتریکی

ضریب دی الکتریک بر نحوه انتشار میدان‌های الکتریکی در مواد تأثیر می‌گذارد.

این امر بر سرعت انتقال سیگنال در کابل‌ها و سایر دستگاه‌های الکترونیکی تأثیر می‌گذارد و در نتیجه بر عملکرد فناوری‌های ارتباطی تأثیرگذار خواهد بود.

7-8# انتخاب مواد در مهندسی

در طراحی مدارها و قطعات الکترونیکی، مهندسان مواد را بر اساس ضریب دی الکتریک خود انتخاب می‌کنند تا از عملکرد، قابلیت اطمینان و کارایی بهینه اطمینان لازم را به دست آورند.

8-8# قطبی شدن

ضریب دی الکتریک نشان می‌دهد که چگونه یک ماده می‌تواند به راحتی در یک میدان الکتریکی قطبی شود.

این قطبش بر نحوه تعامل مواد با میدان‌های الکتریکی خارجی تأثیر خواهد گذاشت که در بسیاری از کاربردها از جمله حسگرها و محرک‌ها حائز اهمیت است.

9-8# مدارهای فرکانس بالا

مواد دی الکتریک با تلفات دی الکتریک کم در مدارهای فرکانس بالا برای به حداقل رساندن اتلاف انرژی استفاده می‌شوند.

مواد اتلاف دی الکتریک، تا حدودی ناهمواری‌های سیگنال را کاهش می‌دهند و عملکرد مدار را بهبود می‌بخشند.

10-8# اپتیک

مواد دی الکتریک در کاربردهای نوری مانند لنزها، منشورها و فیبرهای نوری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ضریب شکست یک ماده دی الکتریک به صورت مستقیم با ضریب دی الکتریک آن مرتبط است و بر نحوه تعامل نور با ماده تأثیر می‌گذارد.

9# تفاوت بین ضریب دی الکتریک و استحکام دی الکتریک چیست؟

استحکام یا قدرت دی الکتریک یک ماده، توانایی آن ماده است زمانی که به عنوان یک عایق عمل کند.

استحکام دی الکتریک معیاری برای سنجش قدرت الکتریکی یک ماده به عنوان عایق است.

قدرت دی الکتریک به عنوان حداکثر ولتاژ مورد نیاز برای ایجاد شکست دی الکتریک از طریق ماده تعریف می‌شود و به صورت ولت در واحد ضخامت بیان می‌شود.

هر چه استحکام دی الکتریک یک ماده بیشتر باشد، کیفیت آن به عنوان عایق بهتر است.

اما ضریب دی الکتریک نسبت گذردهی یک ماده به گذردهی فضای آزاد است.

این موضوع، بیانی از میزان تمرکز یک ماده شار الکتریکی و معادل الکتریکی نفوذپذیری مغناطیسی نسبی است.

در صورتی که ضریب دی الکتریک افزایش یابد، چگالی شار الکتریکی نیز افزایش پیدا می‌کند، البته در حالی که همه عوامل دیگر بدون تغییر باقی بمانند.

این اجسام با اندازه معین، مجموعه صفحات فلزی را قادر می‌سازد تا بار الکتریکی خود را برای مدت طولانی یا مقادیر زیادی بار را در خود نگه دارند.

مواد با ضریب دی الکتریک بالا در ساخت خازن‌های با ارزش بالا مفید هستند.

10# میزان وابستگی فرکانس ضریب دی الکتریک

برای هر مولکولی یک فرکانس آستانه‌ای وجود دارد که ضریب دی الکتریک با افزایش فرکانس شروع به کاهش خواهد کرد تا زمانی که به عدد 1 برسد.

این امر به دلیل ناتوانی یک مولکول در هماهنگی با نوسانات سریع میدان الکتریکی است.

قبل از این که میدان الکتریکی به سمت دیگر تغییر جهت دهد، قادر به قطبش کامل در یک جهت نخواهد بود.

البته ممکن است دو آستانه وجود داشته باشد.

یکی که در آن مولکول دیگر قادر به جهت گیری خود از طریق چرخش به اندازه کافی سریع نیست تا با میدان الکتریکی در نوسان همگام شود و دیگری زمانی که چگالی ابر الکترونی در حال تغییر باشد، دیگر قادر به ادامه نخواهد بود.

11# تأثیر میدان الکتریکی بر ضریب دی الکتریک

در اغلب موارد، ضریب دی الکتریک به شدت میدان الکتریکی بستگی ندارد.

با این حال موادی وجود دارند که غیرخطی نامیده می‌شوند و در آنها این ضریب به شدت میدان، بستگی دارد.

مواد دیگری که غیر همسانگرد نامیده می‌شوند، ثابت دی الکتریک متفاوتی را برای جهات میدانی مختلف نشان می‌دهند.

همه مواد، وابستگی ضریب دی الکتریک به فرکانس میدان را نشان می‌دهند.

به این مواد پراکنده می‌گویند.

این روش بسیار معمول است که مواد را تنها در صورتی پراکنده در نظر بگیریم که مشکل مورد نظر طیفی از فرکانس‌ها را در برگیرد که در آن تغییر ضریب دی الکتریک قابل توجه باشد.