برای درک ثابت دی الکتریک، آموزنده است که بفهمیم دی الکتریک چیست. دی الکتریک ماده ای است که با اعمال میدان الکتریکی در سراسر آن قطبی می شود. به عبارت ساده، به دلیل این قطبش، بارهای مثبت در همان جهت میدان الکتریکی و بارهای منفی در جهت مخالف حرکت می کنند و یک میدان الکترواستاتیک ایجاد می کنند که می تواند برای مدت طولانی باقی بماند. مواد دی الکتریک مقاومت بالایی در برابر عبور جریان الکتریکی دارند و از این رو لایه هایی از این مواد معمولاً در خازن ها برای بهبود عملکرد آنها استفاده می شود. اصطلاح “دی الکتریک” به طور خاص به این برنامه اشاره دارد، با پیشوند di به معنای “از طریق” یا “در سراسر” [1].

ثابت دی الکتریک (ε) یک ماده را می توان به صورت نسبت ظرفیت خازنی وقتی که ماده به عنوان دی الکتریک در خازن استفاده می شود در مقابل ظرفیت زمانی که ماده دی الکتریک استفاده نشده است، یعنی در خلاء، بیان می شود. این ویژگی به طور مستقیم با ظرفیت مواد برای ذخیره شارژ متناسب است. ثابت دی الکتریک را نباید با قدرت دی الکتریک اشتباه گرفت، که در عوض حداکثر میدان الکتریکی است که یک ماده خالص می تواند قبل از یونیزه شدن و شروع به هدایت الکتریسیته حفظ کند.

در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:

• ثابت دی الکتریک چیست؟
• اندازه گیری ثابت دی الکتریک
• کاربردهای مختلفی که از ثابت دی الکتریک استفاده می کنند
• مواد و کاربردهای آینده

ثابت دی الکتریک چیست؟

ماده ای دی الکتریک در نظر گرفته می شود که بتواند انرژی را با اعمال میدان الکتریکی خارجی در سراسر آن ذخیره کند. یک ماده دی الکتریک ظرفیت ذخیره سازی یک خازن را با از بین بردن بارهای الکترودهایی که معمولاً به میدان خارجی اضافه می شوند، بهبود می بخشد. ثابت دی الکتریک را می توان با نسبت ظرفیت خازن با ماده دی الکتریک به ظرفیت بدون ماده دی الکتریک بیان کرد.

ثابت دی الکتریک یک ماده را می توان به صورت بیان کرد

`k=frac{C}{C_{0}}`

جایی که «k» ثابت دی الکتریک واقعی و «C» و «C» است₀ظرفیت خازنی با دی الکتریک و بدون دی الکتریک است.

یکی دیگر از ویژگی های مهم مواد دی الکتریک آن است گذردهی. گذردهی (ε) یک ماده، معیاری از توانایی ماده برای قطبش شدن توسط یک میدان الکتریکی یا قطبش پذیری آن است.

ظرفیت خازن مطابق فرمول زیر به گذردهی ε لایه دی الکتریک بستگی دارد.

`C=varepsilonleft(frac{A}{d}right)`

جایی که ‘A’ مساحت خازن است و ‘d’ فاصله بین دو صفحه رسانا در خازن است.

هنگامی که خلاء به عنوان دی الکتریک استفاده می شود، ظرفیت خازن توسط

`C_{0}=varepsilon_{0}left(frac{A}{d}right)`

جایی که «varepsilon_{0}» گذردهی خلاء است.

بنابراین، ثابت دی الکتریک یک ماده را می توان به عنوان نسبت گذردهی آن به گذردهی خلاء مطابق معادله زیر بیان کرد.

`k=frac{varepsilon}{varepsilon_{0}}`

بنابراین، ثابت دی الکتریک نیز به عنوان شناخته شده است مجوز نسبی از مواد، و بدون بعد است. ثابت دی الکتریک خلاء 1 است. همه مواد در میدان الکتریکی بیشتر از خلاء قطبی می شوند، بنابراین «k» هر ماده ای همیشه بزرگتر از 1 است.

اندازه گیری ثابت دی الکتریک

چند سیستم اندازه گیری وجود دارد که می توان از آنها برای اندازه گیری ثابت دی الکتریک استفاده کرد. در زیر به سه مورد از آنها پرداخته می شود.

تحلیلگرهای شبکه

این سیستم گذردهی (ثابت دی الکتریک) را با اندازه گیری انعکاس سیگنال های ارسالی در برابر ماده مرتبط می کند. فرکانس سیگنال‌ها در فواصل زمانی افزایش می‌یابد و کل فرآیند تکرار می‌شود تا سیگنال‌های دریافتی را در محدوده معینی ترسیم کنند، که شیب آن با ثابت دی الکتریک ماده مرتبط است.

آنالایزرهای امپدانس

از این مترها برای اندازه گیری خواص مواد در فرکانس های پایین تر استفاده می شود. در این روش ولتاژ یک ماده در هنگام عبور جریان از آن اندازه گیری و نظارت می شود. با توجه به ابعاد فیزیکی ماده و اندازه گیری ظرفیت و ضریب اتلاف آن، مقادیر ثابت دی الکتریک را می توان به دست آورد.

نرم افزار

داده‌های خام اندازه‌گیری شده از طریق ابزارهایی که به روش‌های مختلف با ماده تعامل دارند (مانند اعمال میدان الکتریکی در سراسر ماده یا ارسال و دریافت سیگنال‌ها به و از ماده)، می‌توانند به برنامه‌های پیچیده وارد شوند که می‌توانند محاسبه و ارائه شوند. اطلاعات مورد نیاز به روشی مفیدتر، یعنی ثابت دی الکتریک دقیق.

سیستم های فوق با چندین ابزار مختلف برای ایجاد تکنیک هایی با کاربرد و دقت متفاوت سازگار شده اند. برخی از این تکنیک ها از طریق پروب کواکسیال، خط انتقال، فضای آزاد، حفره تشدید، صفحه موازی و اندازه گیری اندوکتانس هستند. [2].

میز 1. مقایسه روش های اندازه گیری ثابت دی الکتریک [2]

تکنیک اندازه گیری	امتیاز کلیدی
پروب کواکسیال	پهنای باند، راحت، غیر مخرب. بهترین برای MUT های با ضرر. مایعات و نیمه جامد
خط انتقال	پهنای باند. بهترین برای MUTهای با ضرر تا کم تلفات. جامدات قابل ماشین کاری
فضای خالی	پهنای باند؛ غیر تماسی بهترین گزینه برای ورق های تخت، پودر، دماهای بالا
حفره رزونانس	تک فرکانس؛ دقیق. بهترین برای MUT های کم ضرر. نمونه های کوچک
صفحه موازی	دقیق. بهترین برای فرکانس های پایین؛ ورق های نازک و مسطح
اندازه گیری اندوکتانس	اندازه گیری دقیق و ساده، ساختار هسته حلقوی مورد نیاز است

کاربردها و مواد

الکترونیک

یک دی الکتریک با K پایین دارای گذردهی کم یا توانایی کم در قطبش و نگه داشتن شارژ است. به همین دلیل، می توان از آنها برای عایق بندی هادی های حامل سیگنال از یکدیگر استفاده کرد، به همین دلیل است که آنها برای مدارهای مجتمع چند لایه بسیار متراکم برای محافظت در برابر کاهش عملکرد بسیار ارزشمند هستند.

دی الکتریک با k بالا دارای گذردهی بالایی است و به راحتی می تواند قطبی شود. به همین دلیل است که آنها برای خازن ها برای نگهداری بار الکتریکی و برای سلول های حافظه برای ذخیره داده های دیجیتال ترجیح داده می شوند.

آب و هوا

گذردهی نسبی هوا را می توان برای تغییراتی که بینشی در مورد رطوبت و دما ارائه می دهد نظارت کرد.

شیمی تجزیه

اطلاعات ثابت دی الکتریک در کروماتوگرافی مهم است زیرا حلال های مختلف می توانند قطبش پذیری های بسیار متفاوتی داشته باشند.

فناوری اطلاعات

ثابت دی الکتریک فیبرهای نوری از طریق وارد کردن ناخالصی ها به دقت کنترل می شود تا ضریب شکست آنها و در نتیجه نحوه انتقال نور (داده ها) دستکاری شود.

جدول 2. مقادیر ثابت دی الکتریک مواد رایج [3]

مواد	ثابت دی الکتریک نسبی	مواد	ثابت دی الکتریک نسبی
وکیوم	1	میکا	4
هوا	1	استایروفوم	1.03
تیتانات باریم	100	تفلون	2.1
شیشه	5-10	ظروف چینی	4-8
کولار	3-4.5	کوارتز	5
تیتانات سرب	200	لاستیک	2
سلولوئید	4	لاستیک، سیلیکون	3.2
سیمان	2	پلی پروپیلن	2.25 – 2.5
الماس	5.87	سیلیکون	11.8
کاغذ	3 – 3.5	نیوبات پتاسیم	700
پلکسی گلاس	2.6 – 3.5	نیوبات پتاسیم تانتالات، در 20 درجه سانتیگراد	6000

مواد و کاربردهای آینده

بیشترین استفاده از اطلاعات ثابت دی الکتریک در انتخاب و ایجاد بهترین مواد دی الکتریک برای استفاده در سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) است. دنیای الکترونیک به طور مداوم در تلاش است تا مدارهای سریعتر را در بسته های کوچکتر بسازد. مطالعه ثابت دی الکتریک کاربردهای بیشتری در پزشکی (با توسعه دریچه های میکرو قلب)، اتوماسیون (با زمان واکنش سریع تر برای استقرار کیسه هوا)، سیستم های دفاعی (بر اساس فناوری فروالکتریک حجیم)، اکتشاف فضا (با محرک های بسیار حساس برای تلسکوپ ها) و بسیاری از برنامه های کاربردی دیگر در ابزارهای پیشرفته.