عازل

بشكل عام، لا يمكن للمادة أن تستقطب بشكل فوري استجابةً لحقل كهربائي مطبق. الصيغة الأكثر عمومية كدالة للزمن هي

$${\displaystyle \mathbf {P} (t)=\varepsilon _{0}\int _{-\infty }^{t}\chi _{e}\left(t-t'\right)\mathbf {E} (t')\,dt'.}$$

أي أن الاستقطاب هو عبارة عن التفاف للمجال الكهربائي في أوقات سابقة مع قابلية مغناطيسية متغيرة مع الزمن معطاة بالعلاقة التالية:${\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)}$يمكن تمديد الحد الأعلى لهذا التكامل إلى ما لا نهاية أيضًا إذا تم تعريف${\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)=0}$ل${\displaystyle \Delta t<0}$تتوافق الاستجابة الفورية مع قابلية التأثر بدالة ديراك دلتا${\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)=\chi _{e}\delta (\Delta t)}$.

في النظام الخطي، يكون من الأنسب إجراء تحويل فورييه وكتابة هذه العلاقة كدالة للتردد. وبفضل نظرية الالتفاف ، يصبح التكامل مجرد ضرب بسيط. $${\displaystyle \mathbf {P} (\omega )=\varepsilon _{0}\chi _{e}(\omega )\mathbf {E} (\omega ).}$$

تعتمد قابلية التأثر (أو ما يعادلها من سماحية) على التردد. ويُحدد تغير قابلية التأثر بالنسبة للتردد خصائص تشتت المادة.

علاوة على ذلك، فإن حقيقة أن الاستقطاب لا يمكن أن يعتمد إلا على المجال الكهربائي في الأوقات السابقة (أي،${\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)=0}$ل${\displaystyle \Delta t<0}$)، نتيجة للسببية ، تفرض قيود كرامرز-كرونيغ على الأجزاء الحقيقية والخيالية من القابلية للتأثر${\displaystyle \chi _{e}(\omega )}$.

في المفهوم الكلاسيكي للعوازل الكهربائية، تتكون المادة من ذرات. تتألف كل ذرة من سحابة من الشحنة السالبة (الإلكترونات) مرتبطة بنقطة شحنة موجبة في مركزها وتحيط بها. في وجود مجال كهربائي، تتشوه سحابة الشحنة، كما هو موضح في أعلى يمين الشكل.

يمكن تبسيط هذا إلى ثنائي قطب بسيط باستخدام مبدأ التراكب . يتميز ثنائي القطب بعزمه ثنائي القطب ، وهو كمية متجهة موضحة في الشكل بالسهم الأزرق المسمى M. العلاقة بين المجال الكهربائي وعزم ثنائي القطب هي التي تحدد سلوك العازل. (لاحظ أن عزم ثنائي القطب يشير في نفس اتجاه المجال الكهربائي في الشكل. هذا ليس هو الحال دائمًا، وهو تبسيط كبير، ولكنه صحيح بالنسبة للعديد من المواد).

عند إزالة المجال الكهربائي، تعود الذرة إلى حالتها الأصلية. ويُطلق على الوقت اللازم لذلك اسم زمن الاسترخاء ؛ وهو اضمحلال أُسّي.

هذا هو جوهر النموذج في الفيزياء. يعتمد سلوك العازل الآن على الظروف المحيطة. وكلما كانت الظروف أكثر تعقيدًا، كلما تطلب الأمر نموذجًا أكثر شمولًا لوصف السلوك بدقة. ومن الأسئلة المهمة:

• هل المجال الكهربائي ثابت أم يتغير مع الزمن؟ وبأي معدل؟
• هل تعتمد الاستجابة على اتجاه المجال المطبق ( تماثل المادة)؟
• هل الاستجابة متماثلة في كل مكان ( تجانس المادة)؟
• هل يجب أخذ أي حدود أو واجهات في الاعتبار؟
• هل الاستجابة خطية بالنسبة للمجال، أم أن هناك خصائص غير خطية ؟

تؤدي العلاقة بين المجال الكهربائي E وعزم ثنائي القطب M إلى سلوك العازل، والذي يمكن وصفه، بالنسبة لمادة معينة، بالدالة F المعرفة بالمعادلة التالية: $${\displaystyle \mathbf {M} =\mathbf {F} (\mathbf {E} ).}$$

بعد تحديد نوع المجال الكهربائي ونوع المادة، يتم اختيار أبسط دالة F التي تتنبأ بدقة بالظواهر محل الاهتمام. ومن أمثلة الظواهر التي يمكن نمذجتها بهذه الطريقة ما يلي:

• معامل الانكسار
• تشتت سرعة المجموعة
• الانكسار المزدوج
• التركيز على الذات
• التوليد التوافقي

الاستقطاب ثنائي القطب هو استقطاب إما متأصل في الجزيئات القطبية (استقطاب التوجيه)، أو يمكن إحداثه في أي جزيء يكون فيه التشوه غير المتماثل للنوى ممكنًا (استقطاب التشوه). ينشأ استقطاب التوجيه من ثنائي قطب دائم، على سبيل المثال، الناتج عن الزاوية 104.45° بين الروابط غير المتماثلة بين ذرات الأكسجين والهيدروجين في جزيء الماء، والذي يحتفظ باستقطابه في غياب مجال كهربائي خارجي. يشكل تجمع هذه الثنائيات القطبية استقطابًا عيانيًا.

عند تطبيق مجال كهربائي خارجي، تظل المسافة بين الشحنات داخل كل ثنائي قطب دائم، المرتبطة بالروابط الكيميائية ، ثابتة في استقطاب التوجيه؛ ومع ذلك، يدور اتجاه الاستقطاب نفسه. يحدث هذا الدوران على نطاق زمني يعتمد على عزم الدوران واللزوجة الموضعية المحيطة بالجزيئات. ولأن الدوران ليس فوريًا، تفقد استقطابات ثنائيات الأقطاب استجابتها للمجالات الكهربائية عند أعلى الترددات. يدور الجزيء حوالي راديان واحد لكل بيكو ثانية في المائع، وبالتالي يحدث هذا الفقدان عند حوالي 10¹¹ ^هرتز (في نطاق الموجات الميكروية). يتسبب تأخر الاستجابة لتغير المجال الكهربائي في حدوث احتكاك وحرارة.

عند تطبيق مجال كهربائي خارجي بترددات الأشعة تحت الحمراء أو أقل، تنحني الجزيئات وتتمدد بفعل المجال، ويتغير عزم ثنائي القطب الجزيئي. يتناسب تردد اهتزاز الجزيئات تقريبًا عكسيًا مع الزمن اللازم لانحناء الجزيئات، ويختفي هذا الاستقطاب التشوهي فوق نطاق الأشعة تحت الحمراء.

الاستقطاب الأيوني هو استقطاب ناتج عن الإزاحات النسبية بين الأيونات الموجبة والسالبة في البلورات الأيونية (على سبيل المثال، NaCl ).

إذا كانت البلورة أو الجزيء يتكون من ذرات من أكثر من نوع، فإن توزيع الشحنات حول الذرة في البلورة أو الجزيء يميل إلى الشحنات الموجبة أو السالبة. ونتيجة لذلك، عندما تُحدث اهتزازات الشبكة البلورية أو الاهتزازات الجزيئية إزاحات نسبية للذرات، فإن مراكز الشحنات الموجبة والسالبة تُزاح أيضًا. وتتأثر مواقع هذه المراكز بتناظر الإزاحات. وعندما لا تتطابق المراكز، ينشأ استقطاب في الجزيئات أو البلورات. ويُسمى هذا الاستقطاب بالاستقطاب الأيوني .

يُسبب الاستقطاب الأيوني التأثيرَ الفيروكهربائي ، وكذلك الاستقطاب ثنائي القطب. يُطلق على الانتقال الفيروكهربائي، الناتج عن اصطفاف اتجاهات ثنائيات الأقطاب الدائمة على طول اتجاه معين، اسم انتقال طور الترتيب-اللا ترتيب . أما الانتقال الناتج عن الاستقطاب الأيوني في البلورات فيُسمى انتقال طور الإزاحة .

استرخاء ديباي هو استجابة الاسترخاء العازل لمجموعة مثالية من ثنائيات الأقطاب غير المتفاعلة لحقل كهربائي خارجي متناوب. وعادة ما يتم التعبير عنه بدلالة السماحية الكهربائية المركبة ε للوسط كدالة للتردد الزاوي للحقل ω .

$${\displaystyle {\hat {\varepsilon }}(\omega )=\varepsilon _{\infty }+{\frac {\Delta \varepsilon }{1+i\omega \tau }}=\varepsilon '+i\varepsilon '',}$$

حيث ε∞ هي السماحية عند حد التردد العالي، _{وΔε = εs − ε∞ حيث εs} هي السماحية الساكنة عند التردد المنخفض ، و τ _{هو زمن} الاسترخاء _المميز للوسط . بفصل الجزء الحقيقي${\displaystyle \varepsilon '}$والجزء الخيالي${\displaystyle \varepsilon ''}$ينتج عن السماحية العازلة المعقدة ما يلي: ^{[ 9 ]}

$${\displaystyle {\begin{aligned}\varepsilon '&=\varepsilon _{\infty }+{\frac {\varepsilon _{s}-\varepsilon _{\infty }}{1+\omega ^{2}\tau ^{2}}}\\[3pt]\varepsilon ''&=-{\frac {(\varepsilon _{s}-\varepsilon _{\infty })\omega \tau }{1+\omega ^{2}\tau ^{2}}}\end{aligned}}}$$

لاحظ أن المعادلة أعلاه لـ${\displaystyle {\hat {\varepsilon }}(\omega )}$تُكتب أحيانًا بـ${\displaystyle 1-i\omega \tau }$في المقام بسبب غموض مستمر في اصطلاح الإشارة حيث تمثل مصادر عديدة التغير الزمني للمجال الكهربائي المركب مع${\displaystyle \exp(-i\omega t)}$بينما يستخدم آخرون${\displaystyle \exp(+i\omega t)}$في الاتفاقية السابقة، كانت الوظائف${\displaystyle \varepsilon '}$و${\displaystyle \varepsilon ''}$يتم تمثيل الأجزاء الحقيقية والخيالية بواسطة${\displaystyle {\hat {\varepsilon }}(\omega )=\varepsilon '+i\varepsilon ''}$أما في الاتفاقية الأخيرة${\displaystyle {\hat {\varepsilon }}(\omega )=\varepsilon '-i\varepsilon ''}$تستخدم المعادلة أعلاه الاصطلاح الأخير. ^{[ 10 ]}

يُمثل فقد العزل الكهربائي أيضًا بواسطة ظل زاوية الفقد:

$${\displaystyle \tan(\delta )={\frac {\varepsilon ''}{\varepsilon '}}={\frac {\left(\varepsilon _{s}-\varepsilon _{\infty }\right)\omega \tau }{\varepsilon _{s}+\varepsilon _{\infty }\omega ^{2}\tau ^{2}}}}$$

تم تقديم نموذج الاسترخاء هذا من قبل الفيزيائي بيتر ديباي (1913) وسُمي باسمه. ^{[ 11 ]} وهو نموذج مميز للاستقطاب الديناميكي ذي زمن استرخاء واحد فقط.

معادلة كول-كول

تُستخدم هذه المعادلة عندما تُظهر ذروة الفقد العازل اتساعًا متناظرًا.

معادلة كول-ديفيدسون

تُستخدم هذه المعادلة عندما تُظهر ذروة الفقد العازل اتساعًا غير متماثل.

استرخاء هافريلياك-نيغامي

تأخذ هذه المعادلة في الاعتبار كلاً من التوسيع المتناظر وغير المتناظر.

دالة كولراوش-ويليامز-واتس

تحويل فورييه للدالة الأسية الممتدة .

قانون كوري-فون شفايدلر

يوضح هذا استجابة المواد العازلة لحقل التيار المستمر المطبق لتتصرف وفقًا لقانون القوة، والذي يمكن التعبير عنه كتكامل على الدوال الأسية الموزونة.

تقريب ديورديفيتش-ساركار

يُستخدم هذا عندما يكون الفقد العازل ثابتًا تقريبًا لمجموعة واسعة من الترددات.

تستخدم المكثفات المصنعة تجارياً عادةً مادة عازلة صلبة ذات سماحية عالية كوسيط بين الشحنات الموجبة والسالبة المخزنة. ويُشار إلى هذه المادة في السياقات التقنية باسم عازل المكثف . ^{[ 17 ]}

تتمثل الميزة الأبرز لاستخدام مادة عازلة كهذه في منعها تلامس الصفائح الموصلة، التي تُخزن عليها الشحنات، تلامسًا كهربائيًا مباشرًا. والأهم من ذلك، أن السماحية العالية تسمح بتخزين شحنة أكبر عند جهد معين. ويمكن ملاحظة ذلك بدراسة حالة مادة عازلة خطية ذات سماحية ε وسماكة d بين صفيحتين موصلتين بكثافة شحنة منتظمة σε _. في هذه الحالة، تُعطى كثافة الشحنة بالعلاقة التالية:

$${\displaystyle \sigma _{\varepsilon }=\varepsilon {\frac {V}{d}}}$$

والسعة لكل وحدة مساحة بواسطة

$${\displaystyle c={\frac {\sigma _{\varepsilon }}{V}}={\frac {\varepsilon }{d}}}$$

ومن هذا، يمكن بسهولة ملاحظة أن قيمة ε الأكبر تؤدي إلى زيادة الشحنة المخزنة وبالتالي زيادة السعة.

تُختار المواد العازلة المستخدمة في المكثفات بحيث تكون مقاومة للتأين . وهذا يسمح للمكثف بالعمل عند فولتيات أعلى قبل أن تتأين المادة العازلة وتبدأ في السماح بمرور تيار غير مرغوب فيه.

مذبذب الرنين العازل (DRO) هو مكون إلكتروني يُظهر رنينًا في استجابة الاستقطاب ضمن نطاق ضيق من الترددات، عادةً في نطاق الموجات الميكروية. يتكون من قرص خزفي ذي ثابت عزل كهربائي كبير ومعامل فقد منخفض . تُستخدم هذه الرنانات غالبًا لتوفير مرجع تردد في دائرة المذبذب. ويمكن استخدام رنان عازل غير محمي كهوائي رنان عازل (DRA).

في الفترة من عام 2002 إلى عام 2004، أجرى مختبر أبحاث الجيش الأمريكي (ARL) أبحاثًا حول تكنولوجيا الأغشية الرقيقة. دُرست مادة تيتانات الباريوم والسترونتيوم (BST)، وهي غشاء رقيق كهروإجهادي، لتصنيع مكونات الترددات الراديوية والميكروويف، مثل المذبذبات التي يتم التحكم فيها بالجهد، والمرشحات القابلة للضبط، ومغيرات الطور. ^{[ 18 ]}

كان هذا البحث جزءًا من جهدٍ لتزويد الجيش بمواد قابلة للضبط بدرجة عالية ومتوافقة مع الموجات الميكروية، وذلك لتصنيع أجهزة قابلة للضبط بنطاق ترددي واسع تعتمد على المجال الكهربائي، وتعمل بكفاءة عالية في درجات حرارة قصوى. ^{[ 19 ]} وقد حسّن هذا العمل من قابلية ضبط تيتانات الباريوم والسترونتيوم، وهي مادة تُستخدم في صناعة الأغشية الرقيقة للمكونات الإلكترونية. ^{[ 20 ]}

في ورقة بحثية نُشرت عام 2004، استكشف باحثون من مختبر أبحاث الجيش الأمريكي كيف يمكن لتركيزات صغيرة من شوائب المستقبلات أن تُغير بشكل كبير خصائص المواد الكهروإجهادية مثل BST. ^{[ 21 ]}

قام الباحثون بتطعيم أغشية رقيقة من مادة BST بالمغنيسيوم، ثم قاموا بتحليل "بنية الغشاء، وبنيته المجهرية، وشكل سطحه، وجودة تركيبه مع الركيزة". وأظهرت أغشية BST المطعمّة بالمغنيسيوم "خصائص عازلة محسّنة، وتيار تسريب منخفض، وقابلية ضبط جيدة"، مما يجعلها مرشحة للاستخدام في الأجهزة القابلة للضبط بالموجات الميكروية. ^{[ 18 ]}