परावैद्युत सामर्थ्य

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भौतिक विज्ञान में, परावैद्युत सामर्थ्य शब्द के निम्नलिखित अर्थ हैं:

  • शुद्ध विद्युत रोधक सामग्री के लिए, अधिकतम विद्युत क्षेत्र जिसे सामग्री आदर्श परिस्थितियों में बिजली के टूटने से गुजरे बिना और विद्युत प्रवाहकीय (यानी इसके इन्सुलेट गुणों की विफलता के बिना) का सामना कर सकती है।
  • परावैद्युत सामग्री के एक विशिष्ट टुकड़े और इलेक्ट्रोड के स्थान के लिए, न्यूनतम लागू विद्युत क्षेत्र (यानी इलेक्ट्रोड पृथक्करण दूरी से विभाजित लागू वोल्टेज) का परिणाम टूटना है। ब्रेकडाउन वोल्टेज की यह अवधारणा है।

सामग्री की सैद्धांतिक परावैद्युत सामर्थ्य थोक सामग्री की आंतरिक संपत्ति है और सामग्री या इलेक्ट्रोड के विन्यास से स्वतंत्र है जिसके साथ क्षेत्र लागू होता है। यह "आंतरिक परावैद्युत सामर्थ्य" आदर्श प्रयोगशाला स्थितियों के तहत शुद्ध सामग्रियों का उपयोग करके मापा जाएगा। विखंडन पर, विद्युत क्षेत्र बंधे हुए इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करता है। यदि लगाया गया विद्युत क्षेत्र पर्याप्त रूप से उच्च है, तो पृष्ठभूमि विकिरण से मुक्त इलेक्ट्रॉनों को वेग के लिए त्वरित किया जा सकता है जो हिमस्खलन टूटने के रूप में जाने वाली प्रक्रिया में तटस्थ परमाणुओं या अणुओं के साथ टकराव से अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को मुक्त कर सकता है। ब्रेकडाउन काफी अचानक (सामान्यतः नैनोसेकंड में) होता है, जिसके परिणामस्वरूप सामग्री के माध्यम से विद्युत प्रवाहकीय पथ और विघटनकारी निर्वहन होता है। ठोस सामग्री में, टूटने की घटना इसकी रोधक क्षमता को गंभीर रूप से कम या नष्ट कर देती है।

विद्युत व्यवधान

विद्युत धारा विद्युत क्षेत्र के कारण उत्पन्न सामग्री में विद्युत आवेशित कणों का प्रवाह है। विद्युत धारा के लिए उत्तरदायी गतिशील आवेशित कणों को आवेश वाहक कहा जाता है। अलग-अलग पदार्थों में अलग-अलग कण आवेश वाहक के रूप में काम करते हैं: धातुओं और अन्य ठोस पदार्थों में प्रत्येक परमाणु के कुछ बाहरी इलेक्ट्रॉन (चालन इलेक्ट्रॉन) सामग्री के चारों ओर गति करने में सक्षम होते हैं; इलेक्ट्रोलाइट्स और प्लाज्मा में, यह आयन, विद्युत रूप से आवेशित परमाणु या अणु और इलेक्ट्रॉन होते हैं। पदार्थ जिसमें चालन के लिए उपलब्ध आवेश वाहकों की उच्च सांद्रता होती है, वह दिए गए विद्युत क्षेत्र के साथ दिए गए वोल्टेज द्वारा बनाए गए विद्युत क्षेत्र का संचालन करेगा, और इस प्रकार कम विद्युत प्रतिरोधकता होती है; इसे इलेक्ट्रिकल कंडक्टर कहा जाता है। सामग्री जिसमें कुछ आवेश वाहक होते हैं, किसी दिए गए विद्युत क्षेत्र के साथ बहुत कम धारा का संचालन करेगी और इसकी उच्च प्रतिरोधकता होगी; इसे विद्युत् सुचालक कहा जाता है।

हालांकि, जब किसी इंसुलेटिंग पदार्थ पर पर्याप्त पर्याप्त विद्युत क्षेत्र लागू किया जाता है, तो निश्चित क्षेत्र की ताकत पर सामग्री में आवेश वाहकों की सांद्रता परिमाण के कई क्रमों से अचानक बढ़ जाती है, इसलिए इसका प्रतिरोध गिर जाता है और यह चालक बन जाता है। इसे विद्युत अपघटन कहते हैं। भंजन का कारण बनने वाला भौतिक तंत्र विभिन्न पदार्थों में भिन्न होता है। ठोस में, यह सामान्यतः तब होता है जब विद्युत क्षेत्र इतना मजबूत हो जाता है कि बाहरी संयोजी इलेक्ट्रॉनों को उनके परमाणुओं से दूर खींच लेता है, इसलिए वे गतिशील हो जाते हैं। जिस क्षेत्र की ताकत पर विभाजन होता है वह सामग्री की एक आंतरिक संपत्ति है, जिसे इसकी परावैद्युत सामर्थ्य कहा जाता है।

व्यावहारिक इलेक्ट्रिक सर्किट में, बिजली का टूटना प्रायः अवांछित घटना होती है, इन्सुलेट सामग्री की विफलता शार्ट सर्किट का कारण बनती है, जिसके परिणामस्वरूप उपकरण की भयावह विफलता होती है। प्रतिरोध में अचानक गिरावट सामग्री के माध्यम से उच्च धारा प्रवाहित करने का कारण बनती है, और अचानक अत्यधिक जूल हीटिंग सामग्री या सर्किट के अन्य भागों को पिघलाने या विस्फोटक रूप से वाष्पीकृत करने का कारण बन सकता है। हालाँकि, टूटना ही प्रतिवर्ती है। यदि बाहरी सर्किट द्वारा आपूर्ति की गई धारा पर्याप्त रूप से सीमित है, तो सामग्री को कोई नुकसान नहीं होता है, और लागू वोल्टेज को कम करने से सामग्री की इन्सुलेट स्थिति में संक्रमण हो जाता है।

प्रत्यक्ष परावैद्युत सामर्थ्य को प्रभावित करने वाले कारक

  • यह नमूना की मोटाई के साथ भिन्न हो सकता है।[1] (नीचे "दोष" देखें)
  • यह संचालन तापमान के साथ बदल सकता है।
  • यह आवृत्ति के साथ बदल सकता है।
  • गैसों के लिए (जैसे नाइट्रोजन, सल्फर हेक्साफ्लोराइड) यह सामान्य रूप से बढ़ी हुई आर्द्रता के साथ घट जाती है क्योंकि पानी में आयन प्रवाहकीय चैनल प्रदान कर सकते हैं।
  • गैसों के लिए, यह पास्चेन के नियम के अनुसार दबाव के साथ बढ़ता है।
  • हवा के लिए, निरपेक्ष आर्द्रता बढ़ने पर परावैद्युत सामर्थ्य थोड़ी बढ़ जाती है लेकिन सापेक्ष आर्द्रता में वृद्धि के साथ घट जाती है।[2]

विभाजन क्षेत्र सामर्थ्य

जिस क्षेत्र की शक्ति पर विभाजन होता है, वह परावैद्युत (रोधक) के संबंधित ज्यामिति और विद्युत क्षेत्र लागू होने वाले इलेक्ट्रोड के साथ-साथ लागू विद्युत क्षेत्र की वृद्धि की दर पर निर्भर करता है। क्योंकि परावैद्युत सामग्री में सामान्यतः सूक्ष्म दोष होते हैं, व्यावहारिक परावैद्युत सामर्थ्य एक आदर्श, दोष-मुक्त सामग्री की आंतरिक परावैद्युत सामर्थ्य से काफी कम होगी। परावैद्युत फिल्में एक ही सामग्री के मोटे नमूनों की तुलना में अधिक परावैद्युत सामर्थ्य प्रदर्शित करती हैं। उदाहरण के लिए, लगभग 1 माइक्रोन मोटाई वाली सिलिकॉन डाइऑक्साइड फिल्मों की परावैद्युत सामर्थ्य लगभग 0.5 जीवी/एम है।[3] हालांकि, इलेक्ट्रॉन टनलिंग के कारण बहुत पतली परतें (नीचे, मान लें, 100 एनएम) आंशिक रूप से प्रवाहकीय हो जाती हैं। पतली परावैद्युत फिल्मों की कई परतों का उपयोग किया जाता है जहां अधिकतम व्यावहारिक परावैद्युत सामर्थ्य की आवश्यकता होती है, जैसे कि उच्च वोल्टेज संधारित्र और पल्स ट्रांसफार्मर। चूंकि गैसों की परावैद्युत सामर्थ्य इलेक्ट्रोडों के आकार और विन्यास पर निर्भर करती है,[4] इसे सामान्यतः नाइट्रोजन गैस की परावैद्युत सामर्थ्य के अंश के रूप में मापा जाता है।

विभिन्न सामान्य सामग्रियों की परावैद्युत सामर्थ्य (एमवी/एम, या 106 वोल्ट/मीटर में):

पदार्थ परावैद्युत सामर्थ्य

(एमवी/एम) या (वोल्ट/माइक्रोन)

हीलियम (नाइट्रोजन के सापेक्ष)[5] 0.15
हवा[6] 3
सल्फर हेक्साफ्लोराइड[5] 8.5–9.8
एल्यूमिना[5] 13.4
विंडो ग्लास[5] 9.8–13.8
बोरोसिलिकेट ग्लास[5] 20–40
सिलिकॉन तेल, खनिज तेल[5][7] 10–15
बेंजीन[5] 163
पॉलीस्टायरीन[5] 19.7
पॉलीइथाइलीन[8] 19–160
निओप्रिन रबर[5] 15.7–26.7
आसुत जल[5] 65–70
उच्च निर्वात (200 μPa)

(क्षेत्र उत्सर्जन सीमित)[9]

20–40
(इलेक्ट्रोड आकार पर निर्भर)
फ्यूज्ड सिलिका[5] 470–670
वैक्स पेपर[10] 40–60
पीटीएफई (टेफ्लॉन, एक्सट्रूडेड)[5] 19.7
पीटीएफई (टेफ्लॉन, इन्सुलेटिंग फिल्म)[5][11] 60–173
पीक (पॉलीथर ईथर कीटोन) 23
अभ्रक[5] 118
हीरा[12] 2,000
पीजेडटी 10–25[13][14]
उत्तम निर्वात 1012

इकाइयां

एसआई में, परावैद्युत सामर्थ्य की इकाई वोल्ट प्रति मीटर (वोल्ट/मीटर) होती है। संबंधित इकाइयों जैसे वोल्ट प्रति सेंटीमीटर (वी/सेमी), मेगावोल्ट प्रति मीटर (एमवी/एम), इत्यादि को देखना भी साधारण है।

संयुक्त राज्य अमेरिका की प्रथागत इकाइयों में, परावैद्युत सामर्थ्य को प्रायः वोल्ट प्रति मिल (एक मील 1/1000 इंच) में निर्दिष्ट किया जाता है।[15]

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ DuPont Teijin Films (2003). "Mylar polyester film" (PDF).
  2. ↑ Ritz, Hans (1932). "Durchschlagfeldstärke des homogenen Feldes in Luft". Archiv für Elektrotechnik. 26 (4): 219–232. doi:10.1007/BF01657189. S2CID 108697400.
  3. ↑ Bartzsch, Hagen; Glöß, Daniel; Frach, Peter; Gittner, Matthias; Schultheiß, Eberhard; Brode, Wolfgang; Hartung, Johannes (2009-01-21). "Electrical insulation properties of sputter-deposited SiO2, Si3N4 and Al2O3 films at room temperature and 400 °C". Physica Status Solidi A. 206 (3): 514–519. Bibcode:2009PSSAR.206..514B. doi:10.1002/pssa.200880481. S2CID 93228294.
  4. ↑ Lyon, David; et al. (2013). "Gap size dependence of the dielectric strength in nano vacuum gaps". IEEE. 20 (4): 1467–1471. doi:10.1109/TDEI.2013.6571470. S2CID 709782.
  5. ↑ 5.00 5.01 5.02 5.03 5.04 5.05 5.06 5.07 5.08 5.09 5.10 5.11 5.12 5.13 CRC Handbook of Chemistry and Physics
  6. ↑ Hong, Alice (2000). Elert, Glenn (ed.). "Dielectric Strength of Air". The Physics Factbook. Retrieved 2020-06-18.
  7. ↑ Föll, H. "3.5.1 Electrical Breakdown and Failure". Tf.uni-kiel.de. Retrieved 2020-06-18.
  8. ↑ Xu, Cherry (2009). Elert, Glenn (ed.). "Dielectric strength of polyethylene". The Physics Factbook. Retrieved 2020-06-18.
  9. ↑ Giere, Stefan; Kurrat, Michael; Schümann, Ulf. HV dielectric strength of shielding electrodes in vacuum circuit-breakers (PDF). 20th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Archived from the original (PDF) on 2012-03-01. Retrieved 2020-06-18.
  10. ↑ Mulyakhova, Dasha (2007). Elert, Glenn (ed.). "Dielectric strength of waxed paper". The Physics Factbook. Retrieved 2020-06-18.
  11. ↑ Glenn Elert. "Dielectrics - The Physics Hypertextbook". Physics.info. Retrieved 2020-06-18.
  12. ↑ "Electronic properties of diamond". el.angstrom.uu.se. Retrieved 2013-08-10.
  13. ↑ Moazzami, Reza; Chenming Hu; William H. Shepherd (September 1992). "Electrical Characteristics of Ferroelectric PZT Thin Films for DRAM Applications" (PDF). IEEE Transactions on Electron Devices. 39 (9): 2044. Bibcode:1992ITED...39.2044M. doi:10.1109/16.155876.
  14. ↑ B. Andersen; E. Ringgaard; T. Bove; A. Albareda & R. Pérez (2000). "Performance of Piezoelectric Ceramic Multilayer Components Based on Hard and Soft PZT". Proceedings of Actuator 2000: 419–422.
  15. ↑ For one of many examples, see Polyimides: materials, processing and applications, by A.J. Kirby, google books link

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