ડાયઇલેક્ટ્રિક આર્ટીકલ

ડાઈઈલેક્ટ્રીક દ્રવ્ય છે જે વિદ્યુતપ્રવાહનું વહન થવા દેતા નથી. તેમને ઘણીવાર અવાહક કહેવામાં આવે છે કારણકે તેઓ સુવાહકના તદ્દન વિરોધી છે. પણ લોકો જયારે સામાન્ય રીતે અવાહકને "ડાઈઇલેક્ટ્રિક" કહે, ત્યારે તેઓ અવાહકના વિશિષ્ટ ગુણધર્મો તરફ ધ્યાન દોરવા માંગે છે: ધ્રુવીભવન.

જ્યારે બેટરીને સુવાહક સાથે જોડવામાં આવે, ત્યારે બેટરીના બે ધ્રુવો વચ્ચે વિદ્યુતસ્થિતિમાનનો તફાવત સુવાહકમાં બધા જ વીજભારને ધક્કો મારે છે, જેના કારણે તેઓ દ્રવ્યમાં ધીમેથી ગતિ કરી શકે છે—સુવાહકમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર થાય છે. આ થાય છે કારણકે સુવાહકમાં બહારના ઈલેક્ટ્રોન ચોક્કસ ન્યુક્લિયસ સાથે જોડાયેલા હોતા નથી; તેઓ આખા દ્રવ્યમાં મુક્ત રીતે ફરી શકે છે. ડાઈઇલેક્ટ્રીકમાં, વીજભાર સંયોજકતા ઈલેક્ટ્રોન છે જે સ્ફટિકના પરમાણુ અથવા પોલિમરની અંદર હોય છે, અને તેથી વિદ્યુતપ્રવાહનું વહન થતું નથી. તેમછતાં, વિદ્યુતક્ષેત્ર હજુ પણ વીજભાર પર બળ લગાડે છે. સ્વતંત્ર ઈલેક્ટ્રોન તેમના જનક પરમાણુ સાથે જોડાયેલા રહે છે, તેઓ પરમાણુની બાજુએ રહેવાનું પસંદ કરે છે જે ધન છેડાની નજીક આવેલી હોય. તમે કલ્પના કરી શકો કે ઈલેક્ટ્રોન પરમાણુમાંથી બહાર આવવા માંગે છે, પણ તેઓ સ્થિતવિદ્યુત બળ વડે જોડાયેલા રહે છે જે સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રોનને ન્યુક્લિયસ સાથે બાંધી રાખે છે:

આકૃતિમાં, ઇલેક્ટ્રોનને પરમાણુ સાથે જે "બાંધી" રાખે છે એ સ્પ્રિંગ જેવું દેખાય છે. સ્પ્રિંગની જેમ જ, બળ જે ન્યુક્લિયસની આસપાસ ઇલેક્ટ્રોનને કક્ષામાં પરિભ્રમણ કરાવે એ પુનઃસ્થાપક બળ પૂરું પડે છે જે બેટરીમાંથી બાહ્ય વિદ્યુત ક્ષેત્ર વડે લાગતા બળને સંતુલિત કરે છે. તેથી જેમ બેટરીનું વિદ્યુત ક્ષેત્ર ઇલેક્ટ્રોનને પરમાણુની એક બાજુ આગળ ને આગળ ધક્કો મારે, તેમ વિરુદ્ધ દિશામાં પુનઃસ્થાપક બળ તેમને ન્યુક્લિયસ તરફ ધીમેથી ખેંચે છે. જયારે આ બે બળ એકબીજા સાથે સંતુલનમાં હોય (એક ન્યુક્લિયસમાંથી અને એક બેટરીમાંથી) ત્યારે ઇલેક્ટ્રોનનું અંતિમ સ્થાન મળે છે

બાહ્ય ક્ષેત્ર દરેક પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રોનને ન્યુક્લિયસની એક બાજુ ભેગા કરે છે, પરમાણુઓ ધ્રુવીભવન પામેલા છે, જેનો અર્થ થાય કે તેમની પાસે ધન ધ્રુવ અને ઋણ ધ્રુવ છે જે વિદ્યુત ક્ષેત્રની દિશા સાથે ગોઠવાય છે.

જો ડાઈઇલેક્ટ્રિક પર ખુબ જ મોટું વિદ્યુત ક્ષેત્ર લાગુ પાડવામાં આવે, તો બળ જે ઇલેક્ટ્રોનને ધક્કો મારવા માંગે છે એ ખરેખર બળને દૂર કરે છે જે તેમને પરમાણુના ન્યુક્લિયસ સાથે જોડી રાખે છે, પરિણામે ઈલેક્ટ્રોન તે બંધનમાંથી મુક્ત થઈ જાય છે. મોટું વિદ્યુત ક્ષેત્ર ડાઈઇલેક્ટ્રિકના પરમાણુનું આયનીકરણ કરે છે. જેનો અર્થ થાય કે મોટું વિદ્યુત ક્ષેત્ર મુક્ત વીજભાર (આ ઉદાહરણમાં ઈલેક્ટ્રોન) બનાવે છે જે દ્રવ્યમાં મુક્ત રીતે ફરી શકે છે અને વિદ્યુતપ્રવાહનું વહન કરે છે. આ પ્રક્રિયાને ડાઈઇલેક્ટ્રિક બ્રેકડાઉન કહેવામાં આવે છે કારણકે આ અવાહકમાંથી સુવાહક બનવા માટે ડાઈઇલેક્ટ્રિક સંક્રાંતિ છે. મોટા ભાગના વાસ્તવિક કેપેસિટરમાં, ડાઈઇલેક્ટ્રિક બ્રેકડાઉન તણખામાં પરિણમે છે અને કેપેસિટરને નુકસાન પણ થઈ શકે છે.

સમાંતર-પ્લેટ કેપેસિટરની જગ્યામાં ડાઈઇલેક્ટ્રિકની હાજરી કુલ કેપેસિટન્સને વધારે છે. આ વર્તણુકનું અનુમાન કરતા સમીકરણ:

C${}_{\text{ડાઈઇલેક્ટ્રિક}}$‍ ${}_{\text{સાથે}}$‍ = k C${}_{\text{ડાઈઇલેક્ટ્રિક}}$‍ ${}_{\text{વગર}}$‍

C${}_{\text{ડાઈઇલેક્ટ્રિક}}$‍ ${}_{\text{સાથે}}$‍ અંતિમ કેપેસિટન્સ છે (જે કેપેસિટરના કદ અને આકાર વડે નક્કી થાય છે) અને C${}_{\text{ડાઈઇલેક્ટ્રિક}}$‍ ${}_{\text{વગર}}$‍ ડાઈઇલેક્ટ્રિક વગરનું કેપેસિટન્સ છે. ડાઈઇલેક્ટ્રિક અચળાંક, k, ઉપયોગમાં લેવાયેલા ચોક્કસ ડાઈઇલેક્ટ્રિકનો ગુણધર્મ છે; તે બતાવે છે કે આપેલો ડાઈઇલેક્ટ્રિક કેપેસિટન્સ કેટલું વધારે છે. ડાઈઇલેક્ટ્રિક અચળાંક જેટલો વધુ, દ્રવ્ય તેટલું જ સારી રીતે અવાહક તરીકે કામ કરે---ઉદાહરણ તરીકે, રબરનો ડાઈઇલેક્ટ્રિક અચળાંક વધુ હોય છે, અને તેનો ઉપયોગ વધુ વોલ્ટેજવાળા વાયરની આસપાસ રક્ષણાત્મક કવચ તરીકે થાય છે કારણકે તેના વધુ k ની કિંમત તેને ખરાબ સુવાહક બનાવે છે.

સામાન્ય ડાઈઇલેક્ટ્રિકમાં લાકડું (k = 2), બીસવેક્સ (k = 4), કાચ (k = 5), અને પ્લાસ્ટિક (k = 5) નો સમાવેશ થાય છે. તમારા કમ્પ્યુટર જેવા વપરાશના ઇલેક્ટ્રોનિક્સની અંદર કેપેસિટર ડાઈઇલેક્ટ્રિક તરીકે પ્લાસ્ટિકનો ઉપયોગ કરે છે કારણકે તેની કિંમત ઓછી છે અને તેનો ડાઈઇલેક્ટ્રિક અચળાંક વધુ છે, જેને કારણે વપરાતું કેપેસિટર નાનું હોય છે.

ડાઈઇલેક્ટ્રિકની હાજરી કેપેસિટન્સ વધારે છે કારણકે ડાઈઇલેક્ટ્રિક અચળાંક અવયવ વડે કેપેસિટરની અંદર વિદ્યુત ક્ષેત્રને ઘટાડે છે. જ્યારે ડાઈઇલેક્ટ્રિકમાં બધા જ પરમાણુઓ ધ્રુવીભવન પામે, ત્યારે ક્ષેત્ર બનાવે છે જે લાગુ પાડેલા ક્ષેત્રની વિરુદ્ધ દિશામાં હોય છે, જે નાના વિદ્યુત ક્ષેત્રમાં પરિણમે છે:

બે પ્લેટની વચ્ચે ડાઈઇલેક્ટ્રિકની હાજરી કેપેસિટરની અંદર વિદ્યુત ક્ષેત્રને ઘટાડે છે. આ તમને કેપેસિટરમાં ડાઈઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મોને બદલે છે એના વિશે ઘણું જણાવે છે: કેપેસિટર તેમના વિદ્યુત ક્ષેત્રની અંદર ઊર્જાનો સંગ્રહ કરે છે, અને તેથી ક્ષેત્ર બાકીનું બધું જ બદલે છે!

ઉદાહરણ તરીકે, કલ્પના કરો કે તમે સમાંતર-પ્લેટ કેપેસિટરમાં પ્લેટની વચ્ચે 6V નો વોલ્ટેજ લાગુ પાડવામાં આવે છે. આ 6V તફાવત પ્લેટ વચ્ચેના વિદ્યુત ક્ષેત્રને અનુરૂપ છે, જે વોલ્ટેજ ભાગ્યા પ્લેટ વચ્ચેનું અંતર, d છે. જો તમારી પાસે 1 cm પ્લેટ વચ્ચેના અંતર સાથે મોટો કેપેસિટર હોય, તો વિદ્યુત ક્ષેત્ર 6 V/cm છે. પણ કલ્પના કરો કે કેપેસિટરને સંપૂર્ણ ચાર્જ કર્યા પછી તમે તેમાં બીસવેક્સનો (k = 3) મોટો ટુકડો મૂકો છો અને બેટરીમાંથી તેને કાઢો છો. અચાનક જ, બીસવેક્સમાં અણુઓ પરનો વીજભાર ખસે છે અને પોતાની જાતને એવી રીતે ગોઠવે છે કે જેથી તેઓ આંશિક રીતે મૂળભૂત ક્ષેત્રને કેન્સલ કરે છે. ધ્રુવીભવનનો જથ્થો સીધો જ ડાઈઇલેક્ટ્રિક અચળાંક સાથે સંબંધિત છે, તેથી હવે કેપેસિટર પાસે આંતરિક ક્ષેત્ર 6/3 = 2 V/cm છે. પ્લેટનું અંતર સમાન છે, તેથી આ નવા કેપેસિટરના વોલ્ટેજ 2V ને અનુરૂપ છે!

આના વિશે યાદ રાખવાની બીજી રીત એ છે કે Q = CV, જ્યાં Q કેપેસિટર પરનો વીજભાર છે, V બે પ્લેટ વચ્ચે વોલ્ટેજનો તફાવત છે, અને C કેપેસિટન્સ છે.આ ગોઠવણી માટે,Q નિશ્ચિત છે કારણકે કેપેસિટરને કોઈ પણ પાવર સ્ત્રોત સાથે જોડવામાં આવ્યું નથી જે બે પ્લેટ પરના વીજભારનો સાપેક્ષ જથ્થો બદલી શકે. ડાઈઇલેક્ટ્રિક ઉમેરતા 3 ના અવયવ વડે C વધે છે, તેથી Q ને સમાન રાખવા માટે વોલ્ટેજ ત્રણના અવયવ વડે ઘટવો જ જોઈએ. તમે કેપેસિટરમાં ઊર્જા સંગ્રહ માટેના સૂત્રમાં Q, C, V ની નવી કિંમત મૂકી શકો., E = 1/2 C V${}^2$‍, અને શોધી શકો કે કેપેસિટરમાં સંગ્રહાતી ઊર્જા પણ 3 ના અવયવ વડે ઘટે છે.

જ્યારે તમે ડાઈઇલેક્ટ્રિક મૂકીને કેપેસિટરને 6V બેટરી સાથે જોડી રાખો ત્યારની પરિસ્થિતિ ઘણી જ જુદી છે. આ વખતે સમીકરણ Q = CV માં વોલ્ટેજ, V નિશ્ચિત છે, અને તેથી જ્યારે તમે ડાઈઇલેક્ટ્રિક ઉમેરો અને કેપેસિટન્સ 3 ના અવયવ વડે વધે, ત્યારે બે પ્લેટની વચ્ચે વીજભારનો તફાવત, Q, પણ 3 ના અવયવ વડે વધે છે. આ પરિસ્થિતિમાં, સૂત્ર E = 1/2 C V${}^2$‍ નો ઉપયોગ કરતા આપણને જણાય છે કે કેપેસિટરમાં સંગ્રહ પામતી ઊર્જા પણ 3 ના અવયવ વડે વધે છે.

જો તમે ક્યારેય વીજળીના કારણે ફસાઈ ગયા હોવ, તો કેટલીકવાર તમારા માથાના બધા જ વાળ ઊભા થઇ જશે અને તમારું માથું મોટા પફ બોલ જેવું દેખાશે. આ ચેતવણી આપે છે કે તમારે તરત જ આશરો લેવાની જરૂર છે અથવા જ્યાં છો ત્યાંથી દૂર જવાની અને કોઈક ઘરમાં જવાની જરૂર છે. આ વિચિત્ર અસરનું કારણ એ છે કે તમારા વાળ પોતે ડાઈઇલેક્ટ્રિક છે!

જ્યારે તમે વીજળીના ચમકારામાં જોવા મળતા આ પ્રકારના વોલ્ટેજ સાથે કામ કરી રહ્યા હોવ, ત્યારે તમારી નીચેની ભીની જમીન સારી સુવાહક હોય છે, અને તમારું શરીર પણ. પણ તમારા વાળ સુવાહક હોતા નથી. મનુષ્યના વાળ સારા અવાહક છે જેથી કેટલાક જુના સ્થિતવિદ્યુત મશીનમાં તેમનો ઉપયોગ શિલ્ડીંગ તરીકે થતો હતો. તેથી જો વીજળી તમારા પર પાડવાની હોય, તો તમારા વાળ કેપેસિટરમાં ડાઈઇલેક્ટ્રિક તરીકે વર્તે છે, જ્યાં બે સુવાહક પ્લેટ વાદળ (જેની પાસે વધુ ઋણ વીજભાર હોય છે) અને નીચે ભીની જમીન (જે પ્રેરણના કારણે વધુ ધન વીજભાર બનાવે છે) છે. આમ, જેમ વાદળમાં વીજભાર ઉદ્દભવે, તેમ તમારા વાળમાં વિદ્યુત ક્ષેત્ર ઉદ્દભવે છે. પણ સમાંતર-પ્લેટ કેપેસિટરની અંદર કાચ અથવા પ્લાસ્ટિકથી વિપરીત, તમારા વાળની સેર આજુબાજુ સરળતાથી ગતિ કરી શકે, અને તેથી વિદ્યુત ક્ષેત્ર તેમને વાદળ તરફ ઊભા કરે છે. ધ્રુવીભવન પામેલા ડાઈઇલેક્ટ્રિકમાં સ્વતંત્ર ઇલેક્ટ્રોનની જેમ, વાળમાંનો વીજભાર પરિપથને પૂર્ણ કરવા માંગે અને વાદળ તરફ ગતિ કરે, પણ તેઓ કાતરી શકતા નથી કારણકે તેઓ તમારા માથા સાથે ચોંટેલા હોય છે!

વિદ્યુત ક્ષેત્ર જેના કારણે આ અસર ઉદ્ભવે છે તે કંઈક આવું દેખાય છે:

જ્યારે વીજળીના ચમકારા થાય ત્યારે તે ડાઈઇલેક્ટ્રિક બ્રેકડાઉન તરીકે વર્તે છે જેમાં વિદ્યુતપ્રવાહ અચાનક જ હવા, તમારા વાળ, તમારા શરીર, અને જમીનમાંથી વહન પામી શકે---તેથી ખાતરી કરો કે આ થાય એ પહેલા તમે ભાગી જાઓ!