Discussion
the basic idea
Dielectricsは、単純明快な絶縁体です。
- 電荷は非金属固体中では容易に移動しない傾向があるため、ガラス、セラミック、およびプラスチック中に電荷の「島」を持つことができます。 島」を意味するラテン語は「insula」で、これが「絶縁体」の語源となっています。 一方、金属固体中の電荷は、あたかも誰かに導かれているかのように、簡単に動く傾向がある。 ラテン語のconまたはcomという接頭辞は、「一緒に」という意味です。 一緒にパンを食べている人が仲間です。 (パンはラテン語でpanisと言います。) 何かを道連れにすることは、それを伝えることです。 一緒に旅をする人で、道を先導したり、安全な通行を提供する人は車掌さんです。
- キャパシタのプレート間に非金属固体の層を挿入すると、キャパシタンスが増加します。 ギリシャ語の接頭辞diまたはdiaは、「横切る」という意味です。 矩形の角を横切る線を対角線といいます。 ギリシャ語で角を意味する言葉は gonia – γωνία です） 円を横切る寸法は直径です。
電気コードを覆っているプラスチックは絶縁体です。
電気コードのプラスチックのコーティングは絶縁体であり、送電線を支えているガラスやセラミックの板は絶縁体です。 このように、電気機器に使われる非金属の固体は、ほとんどすべて絶縁体と呼ばれます。 誘電体という言葉が使われるのは、おそらくコンデンサの非導電層の場合だけでしょう。
コンデンサの誘電体には、次の3つの役割があります。
- 導電性のプレートが接触しないようにすることで、プレートの間隔を小さくし、より高い容量を得ることができます。
- 電界強度を下げることで実効容量を増加させ、より低い電圧で同じ電荷を得られるようにします。
何が起こっているのか
金属が電界の中に置かれると、自由電子が電界に逆らって流れ、導電材料がなくなるまで流れ続けます。 あっという間に、一方の側では電子が過剰になり、もう一方の側では電子が不足することになります。 導体の片側がマイナスに、もう片側がプラスに帯電したのです。 電界を解除すると、負に帯電した側の電子が近づきすぎてしまいます。 同種の電荷は反発し合うので、電子は全力で逃げ出し、すべての原子を取り巻く空間に、平均して陽子1個に対して電子1個が均一に分布するようになります。 金属中の伝導性電子は、牧草地で柵に囲まれた競走犬のようなものだ。
絶縁体中の電子は、より厳しい環境に置かれています。 定義上、絶縁体中の電荷は自由に動くことができません。 これは、動かせないということとは違います。 絶縁体中の電子は、木につながれた番犬のようなもので、自由に動き回ることができるが、その範囲は限られている。 絶縁体の電子を電界のあるところに置くのは、縛られた犬を郵便配達人のいるところに置くようなものだ。 電子は、仮想の犬が鎖に縛られているのと同じように、電界に対してできる限りの力を発揮する。 しかし、原子スケールの電子は、犬というよりは雲のようなものです。 電子は事実上、原子の体積全体に広がっており、一箇所に集中しているわけではありません。
誘電体の原子や分子を外部の電界に置くと、原子核は電界に押されて一方にプラスの電荷が増え、電子雲は電界に引っ張られてもう一方にマイナスの電荷が増えます。 これを「分極」といい、このような状態の誘電体を「分極している」という。
原子や分子を伸ばすと、すべての原子や分子に誘導双極子モーメントが付加されます。
回転は、下図の水分子のように永久双極子モーメントを持つ極性分子でのみ起こり、一般に極性分子は非極性分子よりも強く分極します。 極性分子である水の誘電率は、空気の主成分である非極性分子の窒素の誘電率の80倍です。 これには2つの理由がありますが、1つは些細なことです。 まず、すべての分子は、回転していようがいまいが、電界中では伸びます。 無極性の分子や原子は伸び、極性の分子は伸びて回転する。 しかし、このような作用の組み合わせは、物質が分極する度合い全体にはほんのわずかしか影響しない。 それよりも重要なのは、極性分子はもともと強く引き伸ばされているということだ。 酸素原子の電子雲の腕に水素原子が乗ることで、分子が双極子のように歪むのです。 これらはすべて、原子間あるいは分子スケールで行われます。
偏光については、伸縮や回転だけでは終わりません。
延伸と回転は、偏光についての話の終わりではなく、一般の人が最も簡単に説明できる方法です。 一般に、誘電体の分極は、巨視的な静電応力に対する微視的な静電ひずみです。 誘電体に印加された外場は、電荷を巨視的に動かすことはできませんが、微視的に引き伸ばしたり、歪ませたりすることができます。 電荷を不快な位置に押しやり、解放すればリラックスした状態に戻すことができます。 絶縁体の分極が、バネのような弾性体を伸ばすのと違うのは、ストレスを解消したからといって、必ずしも歪みが解消されるわけではないということだ。 絶縁体の中には、何時間も、何日も、何年も、あるいは何百年も、分極状態を維持するものがある。 最も長い特性時間は、不完全な観測結果からより妥当な期間を推定しなければならない。 プラスチックの塊の分極がゼロになるのを2,000年も待っていようとする人はいないだろう。
最後に、誘電体層に「蓄えられた」電荷は、自由電荷のプールとして利用できるわけではないことを念頭に置くことはやや重要です。 それを取り出すには、やはり金属板が必要です。 この現象を気にする人がいるのは、より良いコンデンサを作るのに役立つからだということを忘れてはいけません。
誘電体を用いたコンデンサ
電界が右から左に向いている状態で、平行に帯電した2枚の金属板の間に誘電体層を置きます。 なぜ左から右ではないのでしょうか？ 私は右から左に読むので、その方が図が読みやすいからです）。) 誘電体の正の原子核は電界に合わせて右に移動し、負の電子は電界に逆らって左に移動します。 電界線は正の電荷から始まり、負の電荷で終わるので、応力を持つ誘電体の各原子や分子内の電界は、この図では左から右に向いており、2枚の金属板からの外部電界とは逆になっています。 電界はベクトル量であり、2つのベクトルが反対方向を向いているときは、その大きさを引いて結果を求めます。 誘電体では、金属のように2つの電界が完全には打ち消されないため、全体的な結果として、2つのプレート間の電界が弱くなります。
Magnify
繰り返しますが、全体的な結果として、2つのプレート間の電界が弱くなるということです。
電界とは、電位(電圧として知られている)の勾配のことです。
| Ex = – | ∆V | ||
| △x | |||
| Ey = – | △V | ⇒ | td E = -∇V |
| ∆y | |||
| Ez = – | ∆V | ||
| ∆z |
キャパシタンスとは、電圧に対する電荷の割合のことです。
| C = | Q |
| V |
コンデンサに誘電体を導入すると、電界が減少して電圧が下がり、静電容量が増加します。
| C ∝ | 1 | (Q定数) | ⇒ | C ∝ | (d． Q定数) |
| V | 1 | ||||
| V ∝ E (d定数) | E | ||||
誘電体を持つコンデンサは、誘電体を持たないコンデンサと同じ電荷を蓄えることができます。 誘電体を持つコンデンサは、誘電体を持たないコンデンサと同じ電荷を蓄えますが、電圧は低くなります。
この小さな部分にも工夫が必要です。
ライデン・ジャーの最初の発見について。 棒を外すと静電容量が小さくなる。 電荷が一定の場合、電圧と静電容量は反比例します。
感応度、誘電率、比誘電率
外部電界中に引き伸ばされた原子、極性分子、逆に帯電した2つの金属球など、あらゆるものの電気双極子モーメントは、電荷と分離の積として定義されます。
ある領域の分極は、単位体積あたりの双極子モーメントとして定義されます
| 。 P = | ∑p |
| V |
SI単位を平方メートルあたりのクーロンとします。
| ⎡ ⎢ ⎣ |
Cm | = | C | ⎤ ⎥ ⎦ |
| m3 | m2 |
第一原理から偏光を計算するのは難しい手順なので、専門家に任せるのが良いでしょう。 なぜ偏光がそのような値になるのかという詳細は気にせず、偏光が存在し、いくつかの変数の関数であることを受け入れてください。 その変数とは何でしょうか？ それはもちろん、素材と電界強度です。 材料によって分極の度合いは異なります。ここではギリシャ文字のχeを使って電気感受性という量を表しますが、ほとんどの材料では、電界（E）が強ければ強いほど分極（P）も大きくなります。
P = ε0χeE
電気感受率は物質によって異なる無次元のパラメータです。 その値は、何もない空間の0から何まで。 この係数が負になる奇怪な物質もあるに違いない（確かなことはわからないが）。 比例定数ε0は、自由空間の誘電率として知られており、後でもう少し詳しく説明します。 今のところ、これは単位をうまく利用するための装置に過ぎません。
| ⎡ ⎢ ⎣ |
C | = | C2 | N | ⎤ ⎥ ⎦ |
|
| m2 | N m2 | C |
この続きを書いてください。
量κは単位なし。
| material | κ | material | κ | |
|---|---|---|---|---|
| air | 1.005364 | 石英、結晶（∥） | 4.60 | |
| 酢酸 | 6.2 | 石英、結晶（⊥） | 4.51 | |
| アルコール、エチル（粒） | 24.55 | 石英、フューズド | 3.8 | |
| アルコール、メチル（木材） | 32.70 | ゴム、ブチル | 2.4 | |
| amber | 2.8 | rubber, neoprene | 6.6 | |
| アスベスト | 4.0 | ラバー、シリコン | 3.2 | |
| アスファルト | 2.6 | ゴム、バルカナイズド | 2.9 | |
| ベークライト | 4.8 | ソルト | 5.9 | |
| 方解石 | 8.0 | セレン | 6.0 | |
| 炭酸カルシウム | 8.7 | シリコン | 11.8 | |
| セルロース | 3.7-7.5 | 炭化ケイ素（αSiC） | 10.2 | |
| セメント | 〜2 | 二酸化ケイ素 | 4.5 | |
| コカイン | 3.1 | シリコーンオイル | 2.7-2.8 | |
| コットン | 1.3 | 土壌 | 10-20 | |
| ダイヤモンド、タイプI | 5.87 | チタン酸ストロンチウム、+25℃ | 332 | |
| ダイヤモンド、タイプIIa | 5.66 | チタン酸ストロンチウム、-195℃ | 2080 | |
| エボナイト | 2.7 | イオウ | 3.7 | |
| エポキシ | 3.6 | 五酸化タンタル | 27 | |
| 小麦粉 | 3 – 。 5 | テフロン | 2.1 | |
| フロン12、-150℃(液体) | 3.5 | tin antimonide | 147 | |
| freon 12, +20 °C (vapor) | 2.4 | テルル化スズ | 1770 | |
| ゲルマニウム | 16 | 二酸化チタン（ルチル） | 114 | |
| ガラス | 4-7 | タバコ | 1．6-1.7 | |
| ガラス、パイレックス7740 | 5.0 | 二酸化ウラン | 24 | |
| グッタペルカ | 2.6 | バキューム | 1（正確には） | |
| ジェット燃料（ジェットa） | 1.7 | 水、氷、-30℃ | 99 | |
| 酸化鉛 | 25.9 | 水、液体、0 °C | 87.9 | |
| ニオブ酸鉛マグネシウム | 10,000 | 水、液体、20 °C | 80.2 | |
| 硫化鉛（ガレナ） | 200 | 水、液体、40℃ | 73.2 | |
| チタン酸鉛 | 200 | 水、液体、60℃ | 66.7 | |
| 重水素化リチウム | 14.0 | 水、液体、80℃ | 60.9 | |
| ルーサイト | 2.8 | 水、液体、100℃ | 55.5 | |
| 雲母、白雲母 | 5.4 | |||
| 雲母、白雲母 | 5.4 | 蝋、蜜蝋 | 2.7-3.0 | |
| 雲母、カナディアン | 6.9 | ワックス、カルヌバ | 2.9 | |
| ナイロン | 3.5 | ワックス、パラフィン | 2.1-2.5 | |
| オイル、アマニ | 3.4 | 蝋引き紙 | 3.7 | |
| オイル、ミネラル | 2.1 | |||
| オイル、オリーブ | 3.1 | ヒトの組織 | κ | |
| オイル、石油 | 2.0-2.2 | 骨、海綿体 | 26 | |
| オイル、シリコン | 2.5 | bone, cortical | 14.5 | |
| oil, sperm | 3.5 | |||
| oil, sperm | 3.2 | 脳、灰白質 | 56 | |
| 油、トランスフォーマー | 2.2 | 脳、白質 | 43 | |
| 紙 | 3.3, 3.5 | 脳、髄膜 | 58 | |
| プレキシグラス | 3.1 | 軟骨、一般 | 22 | |
| ポリエステル | 3.2-4.3 | 軟骨、耳 | 47 | |
| ポリエチレン | 2.26 | 目、房水 | 67 | |
| ポリプロピレン | 2.2-2.3 | 目、角膜 | 61 | |
| ポリスチレン | 2.55 | 目、強膜 | 67 | |
| ポリ塩化ビニル（pvc） | 4.5 | 脂肪 | 16 | |
| 磁器 | 6-8 | 筋肉 | 56 | |
| ニオブ酸カリウム | 700 | 筋肉。 | ||
| ニオブ酸タンタル酸カリウム | 58 | |||
| ニオブ酸タンタル酸カリウム。 0℃ | 34,000 | 皮膚 | 33-44 | |
| タンタル酸ニオブ酸カリウム、20℃ | 6,000 | 舌 | 38 |
誘電破壊
すべての絶縁体は、強制的に電気を通すことができます。 この現象を「絶縁破壊」といいます。
| 材料 | フィールド (MV/m) |
material | field (MV/m) |
||
|---|---|---|---|---|---|
| air | 3 | paper | 14, 16 | ||
| amber | 90 | polyethylene | 50, 500～700、18 | ||
| バケライト | 12、24 | ポリスチレン | 24、25。 400-600 | ||
| diamond, タイプIIa | 10 | ポリ塩化ビニル(PVC) | 40 | ||
| ガラス | |||||
| ガラス。 pyrex 7740 | 13, 14 | 磁器 | 4, 12 | ||
| 雲母、白雲母 | 160 | 石英。 fused | 8 | ||
| nylon | 14 | rubber, ネオプレン | 12, 12 | ||
| オイル。 シリコン | 15 | チタン酸ストロンチウム | 8 | ||
| オイル、トランスフォーマー | 12, 27 | テフロン | 60 | ||
| 二酸化チタン（ルチル） | 6 |
圧電効果
すべての母音を言ってください。
- 圧電とはギリシャ語で圧力を意味する言葉です。
- 1880年代にキュリー兄弟によって発見されました。 偏光した結晶に応力がかかると、その応力によって電位差が生じる。 この電位差は応力に比例し、音圧にも比例します。
- 後方の圧電マイクロフォンは、圧電スピーカー：目覚まし時計のブザー、腕時計のチャイム、あらゆる種類の電子ビープ音。
- コラーゲンは圧電体です。 “コラーゲンに力を加えると、小さな直流電位が発生します。 コラーゲンは主にマイナスの電荷によって電流を流します。 コラーゲンの近くにある骨の鉱物結晶（アパタイト）は正の電荷で電流を流します。 この2種類の半導体の接合部では、一方の方向には電流が流れやすいが、もう一方の方向には電流が流れない…. 骨にかかる力が圧電効果によって電位を発生させ、コラーゲンとアパタイトの接合部では電流が発生し、それが骨の成長を誘導・制御していると考えられています。 電流はストレス（単位面積当たりの力）に比例するため、機械的な骨のストレスが増加すると成長が促進されます。” 身体の物理学（255）。
| 種類 | 音は の変化を生み出す |
どれが の変化を引き起こすか |
。 |
|---|---|---|---|
| 炭素 | 顆粒密度 | 抵抗 | 電圧 |
| コンデンサー | プレートの分離 | キャパシタンス | 電圧 |
| ダイナミック | コイルの位置 | フラックス | 電圧 |
| 圧電 | 分極 | 電圧 |