ดูต้นฉบับสำหรับ ไดอิเล็กทริก

[[ไฟล์:Capacitor schematic with dielectric.svg|thumb|วัสดุไดอิเล็กทริกที่เป็นขั้ว]]

'''วัสดุไดอิเล็กทริก''' ({{langx|en|dielectric material}}) (หรือสั้น ๆ ว่าไดอิเล็กทริก) เป็นฉนวนไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่สามารถทำให้มี[[ความเป็นขั้ว|ขั้วไฟฟ้า]]ได้โดยใช้[[สนามไฟฟ้า]] เมื่อไดอิเล็กทริกหนึ่งถูกวางอยู่ในสนามไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าจะไม่ไหลผ่านตัววัสดุเหมือนอย่างที่ผ่านตัวนำ เพียงแต่ขยับเพียงเล็กน้อยเท่านั้นจากตำแหน่งสมดุลเฉลี่ยเดิมก่อให้เกิด'''ความเป็นขั้วไดอิเล็กทริก''' ({{lang|en|dielectric polarization|italic=no}}) ในการนี้ประจุบวกจะถูกผลักไปในทิศทางของสนามและประจุลบจะขยับไปในทิศทางตรงกันข้าม ปรากฏการณ์นี้จะสร้างสนามไฟฟ้าภายในที่ช่วยลดสนามโดยรวมภายในตัวไดอิเล็กทริกมันเอง<ref name=":0" /> ถ้าไดอิเล็กทริกหนึ่งประกอบด้วยโมเลกุลที่มี[[พลังงานยึดเหนึ่ยว|แรงยึดเหนึ่ยว]]อยู่ด้วยกันที่อ่อน โมเลกุลเหล่านั้นไม่เพียงแต่จะกลายเป็นขั้วเท่านั้น แต่จะยังเรียงตัวเพื่อให้แกนสมมาตรของมันอยู่ในแนวเดียวกันกับสนาม<ref name=":0">{{Cite web |url=https://www.britannica.com/science/dielectric |work=Encyclopædia Britannica |quote=วัสดุที่เป็นฉนวนไดอิเล็กทริกหรือตัวนำกระแสไฟฟ้าที่แย่มาก ๆ เมื่อไดอิเล็กทริกถูกวางอยู่ในสนามไฟฟ้า ในทางปฏิบัติจะไม่มีกระแสไหลในตัวมัน เพราะว่ามันไม่เหมือนโลหะ มันไม่มีอิเล็กตรอนที่เกาะเกี่ยวกันอย่างหลวม ๆ หรืออิเล็กตรอนอิสระที่สามารถขยับไปในตัววัสดุนั้น |title=Dielectrics (physics) |date=2009 |access-date=12 August 2009 |df=dmy-all}}</ref>

การศึกษาด้านคุณสมบัติของไดอิเล็กทริกเกี่ยวข้องกับการจัดเก็บและการแพร่กระจายของพลังงานไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในวัสดุ<ref>{{Cite web |url=https://is.muni.cz/el/1431/podzim2015/F7061/um/Dielectric_and_Waves.pdf |first=Arthur R. |last=von Hippel |title=Dielectrics and Waves |quote=ในงานสัมมนาของเขาเรื่อง วัสดุไดอิเล็กทริกและการประยุกต์ใช้ ระบุว่า: "ไดอิเล็กทริก... ไม่ใช้ระดับชั้นแคบ ๆ ที่เรียกว่าฉนวน แต่เป็นการขยายอย่างกว้างขวางของวัสดุที่ไม่ใช่โลหะที่มีการพิจารณาจากจุดยืนของการปฏิสัมพันธ์ของมันกับสนามไฟฟ้า สนามแม่เหล็กและสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นเราจึงเกี่ยวข้องกับก็าซเช่นเดียวกับของแข็งและของเหลว และกับการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าและแม่เหล็กอีกทั้งการแพร่กระจายของมัน |publisher=Technology Press of MIT and John Wiley |location=NY |date=1954}}</ref> ไดอิเล็กทริกมีความสำคัญสำหรับการอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์, แสง, และฟิสิกส์ของ[[โซลิดสเตต]]

== คำศัพท์ ==
ในขณะที่คำว่าฉนวนหมายถึงการนำไฟฟ้าที่ต่ำ ไดอิเล็กทริกมักจะหมายถึงวัสดุที่มีความสามารถในการเป็นขั้วที่สูง ความสามารถนี้แสดงออกมาจากตัวเลขหนึ่งที่เรียกว่า[[สภาพยอมสัมพัทธ์]] (ที่รู้จักกันในตำราเก่าว่าเป็น[[ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก]]) คำว่าฉนวนถูกใช้กันทั่วไปเพื่อจะบ่งบอกถึงการขัดขวางการไหลของไฟฟ้าในขณะที่คำว่าไดอิเล็กทริกถูกใช้เพื่อบ่งชี้ถึงความจุในการจัดเก็บพลังงานของวัสดุ (โดยวิธีของการเป็นขั้ว) ตัวอย่างทั่วไปของไดอิเล็กทริกได้แก่วัสดุฉนวนไฟฟ้าที่อยู่ระหว่างแผ่นโลหะของ[[ตัวเก็บประจุ]] การเป็นขั้วของไดอิเล็กทริกโดยสนามไฟฟ้าที่จ่ายให้เพิ่มประจุที่พื้นผิวของตัวเก็บประจุสำหรับความแรงของสนามไฟฟ้าที่กำหนด<ref name=":0" />

คำว่า "ไดอิเล็กทริก" ถูกตั้งให้เป็นเกียรติโดย[[วิลเลียม วีเวลล์]] (William Whewell) (จากคำว่า "ได-อิเล็กตริก") ในการตอบสนองต่อการร้องขอจาก[[ไมเคิล ฟาราเดย์]]<ref>{{Cite book |first=John |last=Daintith |date=1994 |title=Biographical Encyclopedia of Scientists |publisher=CRC Press |page=943 |isbn=0-7503-0287-9}}.</ref><ref>{{Cite book |editor-last=James |editor-first=Frank A.J.L. |title=The Correspondence of Michael Faraday: 1841-1848, Volume 3 |quote=Letter 1798, William Whewell to Faraday |page=442 |publisher=Institution of Engineering and Technology |location=London |date=1991 |isbn=0-86341-250-5}}.</ref> ไดอิเล็กทริกที่สมบูรณ์แบบเป็นวัสดุหนึ่งที่มีความสามารถในการนำไฟฟ้าเป็นศูนย์ (อ่านเพิ่มเติม ตัวนำสมบูรณ์แบบ)<ref>{{Cite book |title=Microwave Engineering |first=R. Srinivasa |last=Rao |edition=2nd |publisher=PHI Learning Private Limited |location=Delhi |date=October 2015 |isbn=978-81-203-5159-2 |df=dmy-all}}</ref> ดังนั้นมันจึงแสดงเพียงกระแสแทนที่ ({{lang|en|displacement current|italic=no}}) เพราะฉะนั้น มันจึงเก็บและส่งกลับพลังงานไฟฟ้าเสมือนเป็นตัวเก็บประจุตัวหนึ่ง

== ความอ่อนไหวทางไฟฟ้า ==
{{หลัก|สภาพยอม}}

'''ความอ่อนไหวทางไฟฟ้า''' ({{langx|en|electric susceptibility}}) ''χ<sub>e</sub>'' ของวัสดุไดอิเล็กทริกเป็นตัวชี้วัดว่ามันง่ายแค่ไหนที่มันจะเป็นขั้วในการตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าหนึ่ง นี้จึงเป็นตัวกำหนดค่าสภาพยอมของวัสดุและสร้างอิทธิพลต่อปรากฏการณ์อื่น ๆ อีกมากมายในตัวกลางนี้ จากความจุของตัวเก็บประจุจนถึงความเร็วของแสง

มันถูกกำหนดให้เป็นค่าคงที่ของสัดส่วน (ซึ่งอาจเป็น[[เทนเซอร์]]ตัวหนึ่ง) ที่เกี่ยวข้องกับสนามไฟฟ้า '''E''' ต่อความหนาแน่นของการเป็นขั้วของไดอิเล็กทริกที่ถูกเหนี่ยวนำ '''P''' ดังเช่น

:<math>
{\mathbf P}=\varepsilon_0\chi_e{\mathbf E}
</math>

เมื่อ ''ε''<sub>0</sub> เป็น[[สภาพยอมของสุญญากาศ]]

ความอ่อนไหวของตัวกลางหนึ่งจะเกี่ยวข้องกับ[[สภาพยอมสัมพัทธ์]] ''ε<sub>r</sub>'' ของมันโดย

:<math>\chi_e\ = \varepsilon_r - 1</math>

ดังนั้นในกรณีของสูญญากาศ

:<math>\chi_e\ = 0 </math>

ค่า electric displacement '''D''' จะเกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของความเป็นขั้ว '''P''' โดย

:<math>
\mathbf{D} \ = \ \varepsilon_0\mathbf{E} + \mathbf{P} \ = \ \varepsilon_0 (1+\chi_e) \mathbf{E} \ = \ \varepsilon_r \varepsilon_0 \mathbf{E}
</math>

== การเป็นขั้วของไดอิเล็กทริก== 

=== แบบจำลองอะตอมพื้นฐาน ===
[[ไฟล์:dielectric model.svg|right|thumb|400px|สนามไฟฟ้ามีปฏิสัมพันธ์กับอะตอมภายใต้แบบจำลองไดอิเล็กทริกแบบ{{ไม่ตัด|คลาสสิก}}]]

ในวิธีการแบบคลาสสิกกับแบบจำลองไดอิเล็กทริก วัสดุจะถูกสร้างขึ้นจากอะตอม แต่ละอะตอมประกอบด้วยเมฆของประจุลบ (อิเล็กตรอน) ที่ยึดเหนี่ยวกับและอยู่รอบประจุบวกที่ศูนย์กลางของมัน ในการปรากฏตัวของสนามไฟฟ้า เมฆประจุจะบิดเบี้ยวตามที่แสดงในด้านบนขวาของรูป

ภาพนี้สามารถลดลงไปเป็น[[ไดโพล]]ง่าย ๆ โดยใช้หลักการของการซ้อนตำแหน่ง ({{lang|en|superposition principle|italic=no}}) ไดโพลจะมีลักษณะเฉพาะตาม[[ไดโพลโมเมนต์]]ของมันซึ่งเป็นปริมาณเวกเตอร์ที่แสดงในรูปเป็นลูกศรสีฟ้าที่มีป้ายกำกับ ''M'' มันเป็นความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้าและไดโพลโมเมนต์ที่ก่อให้เกิดพฤติกรรมของไดอิเล็กทริก (ไดโพลโมเมนต์จะชี้ไปในทิศทางเดียวกับสนามไฟฟ้าในรูป แต่ไม่ได้เป็นอย่างนั้นเสมอไปและเป็นการวาดให้ง่ายที่สำคัญ แต่เป็นจริงสำหรับวัสดุหลายชนิด)

เมื่อสนามไฟฟ้าถูกถอดออกไป อะตอมจะกลับคืนสู่สภาพเดิม เวลาที่จะต้องทำเช่นนั้นถูกเรียกว่าเวลาผ่อนคลาย ซึ่งเป็นการสลายแบบ[[ฟังก์ชันเลขชี้กำลัง|เอกซ์โพเนนเชียล]]

นี่คือสาระสำคัญของแบบจำลองในสาขาวิชาฟิสิกส์ พฤติกรรมของไดอิเล็กทริกในขณะนี้ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ สถานการณ์ยิ่งซับซ้อนมากขึ้นเท่าไร แบบจำลองยิ่งสมบูรณ์ในการอธิบายพฤติกรรมได้อย่างถูกต้องมากขึ้นเท่านั้น คำถามที่สำคัญคือ สนามไฟฟ้าคงที่หรือขึ้นอยู่กับเวลา ที่อัตราเท่าไร, การตอบสนองขึ้นอยู่กับทิศทางของสนามที่จ่ายให้ ([[ไอโซทรอปี]]ของวัสดุ) หรือไม่, การตอบสนองเหมือนกันทุกที่ (ความสม่ำเสมอของวัสดุ) หรือไม่, ขอบเขตหรือการเชื่อมต่อใด ๆ จะต้องนำมาพิจารณาหรือไม่, การตอบสนองเป็นแบบเชิงเส้นเมื่อเทียบกับสนามหรือเป็นแบบไม่เชิงเส้น 

ความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้า '''E''' และไดโพลโมเมนต์ '''M''' ก่อให้เกิดพฤติกรรมของไดอิเล็กทริกซึ่งสำหรับวัสดุที่กำหนดสามารถกำหนดคุณลักษณะเฉพาะโดยฟังก์ชัน '''F''' ตามสมการ:

:<math>\mathbf{M} = \mathbf{F}(\mathbf{E})</math>

เมื่อทั้งประเภทของสนามไฟฟ้าและชนิดของวัสดุที่ได้รับการกำหนดเรียบร้อยแล้ว จากนั้นเราต้องเลือกฟังก์ชัน '''F''' ที่ง่ายที่สุดที่จะสามารถคาดการณ์ได้อย่างถูกต้องถึงปรากฏการณ์ที่อยู่ในความสนใจ ตัวอย่างของปรากฏการณ์ที่สามารถสร้างแบบจำลองดังกล่าวได้แก่:
{{Div col|colwidth=25em}}
* [[ดรรชนีหักเห]]
* [[การกระจายความเร็วกลุ่ม]] ({{lang|en|Group velocity dispersion|italic=no}})
* [[การหักเหสองแนว]]
* [[การโฟกัสด้วยตนเอง]]
* [[การผลิตฮาร์มอนิก]]
{{Div col end}}

=== การเป็นขั้วแบบไดโพล ===
การเป็นขั้วแบบไดโพลคือ[[โพลาไรเซชัน]]ที่มีอยู่ในโมเลกุลของขั้ว (การเป็นขั้วเชิงทิศทาง) หรือสามารถเกิดขึ้นได้ในโมเลกุลใด ๆ ที่อาจเกิดการบิดเบี้ยวของ[[นิวเคลียส]]แบบไม่สมมาตรได้ (การเป็นขั้วจากการผิดรูป) การเป็นขั้วเชิงทิศทางเป็นผลมาจากไดโพลถาวร เช่น ที่เกิดจากมุม 104.45° ระหว่างพันธะที่ไม่สมมาตรระหว่างอะตอมของ[[ออกซิเจน]]และ[[ไฮโดรเจน]]ในโมเลกุลของน้ำ ซึ่งยังคงการเป็นขั้วไว้ในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอก การประกอบไดโพลเหล่านี้ก่อให้เกิดการเป็นขั้วในระดับมหภาค

เมื่อใช้สนามไฟฟ้าภายนอก ระยะห่างระหว่างประจุภายในไดโพลถาวรแต่ละอันซึ่งสัมพันธ์กับ[[พันธะเคมี]] จะคงที่ในการเป็นขั้วเชิงทิศทาง อย่างไรก็ตาม ทิศทางของการเป็นขั้วเองก็หมุนไป การหมุนนี้เกิดขึ้นในช่วงเวลาซึ่งขึ้นอยู่กับแรงบิดและความหนืดโดยรอบของโมเลกุล เนื่องจากการหมุนไม่ได้เกิดขึ้นทันที การเป็นขั้วแบบไดโพลจึงสูญเสียการตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าที่ความถี่สูงสุด โมเลกุลหมุนประมาณ 1 เรเดียนต่อ[[พิโค]]วินาทีในของไหล ดังนั้นการสูญเสียนี้จึงเกิดขึ้นที่ประมาณ 10{{ยก|11}} [[เฮิรตซ์]] (ในย่าน[[ไมโครเวฟ]]) ความล่าช้าในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าทำให้เกิดการเสียดสีและความร้อน

เมื่อใช้สนามไฟฟ้าภายนอกที่ความถี่[[อินฟราเรด]]หรือน้อยกว่า โมเลกุลจะโค้งงอและยืดออกตามสนามและจะเปลี่ยนแปลงโมเมนต์ไดโพลของโมเลกุล ความถี่การสั่นสะเทือนของโมเลกุลโดยประมาณจะผกผันกับเวลาที่โมเลกุลโค้งงอ และการเป็นขั้วจากการผิดรูปนี้จะหายไปที่ย่านเหนืออินฟราเรด

== อ้างอิง ==
{{รายการอ้างอิง}}

== แหล่งข้อมูลอื่น ==
{{คอมมอนส์-หมวดหมู่|Dielectric material|วัสดุไดอิเล็กทริก}}
* {{Vcite web |url=https://feynmanlectures.caltech.edu/II_10.html |title=Feynman's lecture on dielectrics |publisher=California Institute of Technology}}

{{Authority control}}
[[หมวดหมู่:สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในสสาร]]
[[หมวดหมู่:ไดอิเล็กทริก]]