ไดอิเล็กทริก

วัสดุไดอิเล็กทริก (dielectric material) (หรือสั้น ๆ ว่าไดอิเล็กทริก) เป็นฉนวนไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่สามารถทำให้มีขั้วไฟฟ้าได้โดยใช้สนามไฟฟ้า เมื่อไดอิเล็กทริกหนึ่งถูกวางอยู่ในสนามไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าจะไม่ไหลผ่านตัววัสดุเหมือนอย่างที่ผ่านตัวนำ เพียงแต่ขยับเพียงเล็กน้อยเท่านั้นจากตำแหน่งสมดุลเฉลี่ยเดิมก่อให้เกิดความเป็นขั้วไดอิเล็กทริก (dielectric polarization|italic=no) ในการนี้ประจุบวกจะถูกผลักไปในทิศทางของสนามและประจุลบจะขยับไปในทิศทางตรงกันข้าม ปรากฏการณ์นี้จะสร้างสนามไฟฟ้าภายในที่ช่วยลดสนามโดยรวมภายในตัวไดอิเล็กทริกมันเอง ถ้าไดอิเล็กทริกหนึ่งประกอบด้วยโมเลกุลที่มีแรงยึดเหนึ่ยวอยู่ด้วยกันที่อ่อน โมเลกุลเหล่านั้นไม่เพียงแต่จะกลายเป็นขั้วเท่านั้น แต่จะยังเรียงตัวเพื่อให้แกนสมมาตรของมันอยู่ในแนวเดียวกันกับสนาม
การศึกษาด้านคุณสมบัติของไดอิเล็กทริกเกี่ยวข้องกับการจัดเก็บและการแพร่กระจายของพลังงานไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในวัสดุ ไดอิเล็กทริกมีความสำคัญสำหรับการอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์, แสง, และฟิสิกส์ของโซลิดสเตต
== คำศัพท์ ==
ในขณะที่คำว่าฉนวนหมายถึงการนำไฟฟ้าที่ต่ำ ไดอิเล็กทริกมักจะหมายถึงวัสดุที่มีความสามารถในการเป็นขั้วที่สูง ความสามารถนี้แสดงออกมาจากตัวเลขหนึ่งที่เรียกว่าสภาพยอมสัมพัทธ์ (ที่รู้จักกันในตำราเก่าว่าเป็นค่าคงที่ไดอิเล็กทริก) คำว่าฉนวนถูกใช้กันทั่วไปเพื่อจะบ่งบอกถึงการขัดขวางการไหลของไฟฟ้าในขณะที่คำว่าไดอิเล็กทริกถูกใช้เพื่อบ่งชี้ถึงความจุในการจัดเก็บพลังงานของวัสดุ (โดยวิธีของการเป็นขั้ว) ตัวอย่างทั่วไปของไดอิเล็กทริกได้แก่วัสดุฉนวนไฟฟ้าที่อยู่ระหว่างแผ่นโลหะของตัวเก็บประจุ การเป็นขั้วของไดอิเล็กทริกโดยสนามไฟฟ้าที่จ่ายให้เพิ่มประจุที่พื้นผิวของตัวเก็บประจุสำหรับความแรงของสนามไฟฟ้าที่กำหนด
คำว่า "ไดอิเล็กทริก" ถูกตั้งให้เป็นเกียรติโดยวิลเลียม วีเวลล์ (William Whewell) (จากคำว่า "ได-อิเล็กตริก") ในการตอบสนองต่อการร้องขอจากไมเคิล ฟาราเดย์ ไดอิเล็กทริกที่สมบูรณ์แบบเป็นวัสดุหนึ่งที่มีความสามารถในการนำไฟฟ้าเป็นศูนย์ (อ่านเพิ่มเติม ตัวนำสมบูรณ์แบบ) ดังนั้นมันจึงแสดงเพียงกระแสแทนที่ (displacement current|italic=no) เพราะฉะนั้น มันจึงเก็บและส่งกลับพลังงานไฟฟ้าเสมือนเป็นตัวเก็บประจุตัวหนึ่ง
== ความอ่อนไหวทางไฟฟ้า ==
ความอ่อนไหวทางไฟฟ้า (electric susceptibility) χe ของวัสดุไดอิเล็กทริกเป็นตัวชี้วัดว่ามันง่ายแค่ไหนที่มันจะเป็นขั้วในการตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าหนึ่ง นี้จึงเป็นตัวกำหนดค่าสภาพยอมของวัสดุและสร้างอิทธิพลต่อปรากฏการณ์อื่น ๆ อีกมากมายในตัวกลางนี้ จากความจุของตัวเก็บประจุจนถึงความเร็วของแสง
มันถูกกำหนดให้เป็นค่าคงที่ของสัดส่วน (ซึ่งอาจเป็นเทนเซอร์ตัวหนึ่ง) ที่เกี่ยวข้องกับสนามไฟฟ้า E ต่อความหนาแน่นของการเป็นขั้วของไดอิเล็กทริกที่ถูกเหนี่ยวนำ P ดังเช่น
{\mathbf P}=\varepsilon_0\chi_e{\mathbf E}
เมื่อ ε0 เป็นสภาพยอมของสุญญากาศ
ความอ่อนไหวของตัวกลางหนึ่งจะเกี่ยวข้องกับสภาพยอมสัมพัทธ์ εr ของมันโดย
\chi_e\ = \varepsilon_r - 1
ดังนั้นในกรณีของสูญญากาศ
\chi_e\ = 0 
ค่า electric displacement D จะเกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของความเป็นขั้ว P โดย
\mathbf{D} \ = \ \varepsilon_0\mathbf{E} + \mathbf{P} \ = \ \varepsilon_0 (1+\chi_e) \mathbf{E} \ = \ \varepsilon_r \varepsilon_0 \mathbf{E}
== การเป็นขั้วของไดอิเล็กทริก==
=== แบบจำลองอะตอมพื้นฐาน ===

ในวิธีการแบบคลาสสิกกับแบบจำลองไดอิเล็กทริก วัสดุจะถูกสร้างขึ้นจากอะตอม แต่ละอะตอมประกอบด้วยเมฆของประจุลบ (อิเล็กตรอน) ที่ยึดเหนี่ยวกับและอยู่รอบประจุบวกที่ศูนย์กลางของมัน ในการปรากฏตัวของสนามไฟฟ้า เมฆประจุจะบิดเบี้ยวตามที่แสดงในด้านบนขวาของรูป
ภาพนี้สามารถลดลงไปเป็นไดโพลง่าย ๆ โดยใช้หลักการของการซ้อนตำแหน่ง (superposition principle|italic=no) ไดโพลจะมีลักษณะเฉพาะตามไดโพลโมเมนต์ของมันซึ่งเป็นปริมาณเวกเตอร์ที่แสดงในรูปเป็นลูกศรสีฟ้าที่มีป้ายกำกับ M มันเป็นความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้าและไดโพลโมเมนต์ที่ก่อให้เกิดพฤติกรรมของไดอิเล็กทริก (ไดโพลโมเมนต์จะชี้ไปในทิศทางเดียวกับสนามไฟฟ้าในรูป แต่ไม่ได้เป็นอย่างนั้นเสมอไปและเป็นการวาดให้ง่ายที่สำคัญ แต่เป็นจริงสำหรับวัสดุหลายชนิด)
เมื่อสนามไฟฟ้าถูกถอดออกไป อะตอมจะกลับคืนสู่สภาพเดิม เวลาที่จะต้องทำเช่นนั้นถูกเรียกว่าเวลาผ่อนคลาย ซึ่งเป็นการสลายแบบเอกซ์โพเนนเชียล
นี่คือสาระสำคัญของแบบจำลองในสาขาวิชาฟิสิกส์ พฤติกรรมของไดอิเล็กทริกในขณะนี้ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ สถานการณ์ยิ่งซับซ้อนมากขึ้นเท่าไร แบบจำลองยิ่งสมบูรณ์ในการอธิบายพฤติกรรมได้อย่างถูกต้องมากขึ้นเท่านั้น คำถามที่สำคัญคือ สนามไฟฟ้าคงที่หรือขึ้นอยู่กับเวลา ที่อัตราเท่าไร, การตอบสนองขึ้นอยู่กับทิศทางของสนามที่จ่ายให้ (ไอโซทรอปีของวัสดุ) หรือไม่, การตอบสนองเหมือนกันทุกที่ (ความสม่ำเสมอของวัสดุ) หรือไม่, ขอบเขตหรือการเชื่อมต่อใด ๆ จะต้องนำมาพิจารณาหรือไม่, การตอบสนองเป็นแบบเชิงเส้นเมื่อเทียบกับสนามหรือเป็นแบบไม่เชิงเส้น
ความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้า E และไดโพลโมเมนต์ M ก่อให้เกิดพฤติกรรมของไดอิเล็กทริกซึ่งสำหรับวัสดุที่กำหนดสามารถกำหนดคุณลักษณะเฉพาะโดยฟังก์ชัน F ตามสมการ:
\mathbf{M} = \mathbf{F}(\mathbf{E})
เมื่อทั้งประเภทของสนามไฟฟ้าและชนิดของวัสดุที่ได้รับการกำหนดเรียบร้อยแล้ว จากนั้นเราต้องเลือกฟังก์ชัน F ที่ง่ายที่สุดที่จะสามารถคาดการณ์ได้อย่างถูกต้องถึงปรากฏการณ์ที่อยู่ในความสนใจ ตัวอย่างของปรากฏการณ์ที่สามารถสร้างแบบจำลองดังกล่าวได้แก่:
ดรรชนีหักเห
การกระจายความเร็วกลุ่ม (Group velocity dispersion|italic=no)
การหักเหสองแนว
การโฟกัสด้วยตนเอง
การผลิตฮาร์มอนิก
=== การเป็นขั้วแบบไดโพล ===
การเป็นขั้วแบบไดโพลคือโพลาไรเซชันที่มีอยู่ในโมเลกุลของขั้ว (การเป็นขั้วเชิงทิศทาง) หรือสามารถเกิดขึ้นได้ในโมเลกุลใด ๆ ที่อาจเกิดการบิดเบี้ยวของนิวเคลียสแบบไม่สมมาตรได้ (การเป็นขั้วจากการผิดรูป) การเป็นขั้วเชิงทิศทางเป็นผลมาจากไดโพลถาวร เช่น ที่เกิดจากมุม 104.45° ระหว่างพันธะที่ไม่สมมาตรระหว่างอะตอมของออกซิเจนและไฮโดรเจนในโมเลกุลของน้ำ ซึ่งยังคงการเป็นขั้วไว้ในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอก การประกอบไดโพลเหล่านี้ก่อให้เกิดการเป็นขั้วในระดับมหภาค
เมื่อใช้สนามไฟฟ้าภายนอก ระยะห่างระหว่างประจุภายในไดโพลถาวรแต่ละอันซึ่งสัมพันธ์กับพันธะเคมี จะคงที่ในการเป็นขั้วเชิงทิศทาง อย่างไรก็ตาม ทิศทางของการเป็นขั้วเองก็หมุนไป การหมุนนี้เกิดขึ้นในช่วงเวลาซึ่งขึ้นอยู่กับแรงบิดและความหนืดโดยรอบของโมเลกุล เนื่องจากการหมุนไม่ได้เกิดขึ้นทันที การเป็นขั้วแบบไดโพลจึงสูญเสียการตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าที่ความถี่สูงสุด โมเลกุลหมุนประมาณ 1 เรเดียนต่อพิโควินาทีในของไหล ดังนั้นการสูญเสียนี้จึงเกิดขึ้นที่ประมาณ 10 เฮิรตซ์ (ในย่านไมโครเวฟ) ความล่าช้าในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าทำให้เกิดการเสียดสีและความร้อน
เมื่อใช้สนามไฟฟ้าภายนอกที่ความถี่อินฟราเรดหรือน้อยกว่า โมเลกุลจะโค้งงอและยืดออกตามสนามและจะเปลี่ยนแปลงโมเมนต์ไดโพลของโมเลกุล ความถี่การสั่นสะเทือนของโมเลกุลโดยประมาณจะผกผันกับเวลาที่โมเลกุลโค้งงอ และการเป็นขั้วจากการผิดรูปนี้จะหายไปที่ย่านเหนืออินฟราเรด
== อ้างอิง ==
== แหล่งข้อมูลอื่น ==
สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในสสาร
ไดอิเล็กทริก