પરાવૈદ્યુત (dielectric)

February, 1998

પરાવૈદ્યુત (dielectric) : વિદ્યુત-પ્રતિબળ સામે ટકી રહેવાની ક્ષમતા ધરાવતો પદાર્થ. આવા પદાર્થો સામાન્ય રીતે અવાહક હોય છે. પરાવૈદ્યુત એવું દ્રવ્ય કે એવો પદાર્થ છે, જેમાં ઊર્જાના ન્યૂનતમ વ્યય સાથે વિદ્યુતક્ષેત્રને ટકાવી રાખી શકાય છે. કોઈ પણ ઘનપદાર્થ ત્યારે જ પરાવૈદ્યુત બને છે જ્યારે તેનો સંયોજકતા-પટ (valence band) પૂર્ણ રીતે ભરાય છે અને સંવહનપટ(conduction band)થી તે ઓછામાં ઓછો 3 ઇલેક્ટ્રૉન વૉલ્ટ (eV) ઊર્જા જેટલો દૂર હોય છે.

પરાવૈદ્યુત પદાર્થનો અવાહક તરીકે ઉપયોગ થાય છે. વિદ્યુતતાર, દોરડાં (cables), વિદ્યુતસામગ્રી, વિદ્યુતચુંબકીય તરંગોના પ્રસારણ તથા પરાવર્તન માટે જુદી જુદી પરાવૈદ્યુત પ્રયુક્તિઓનો ઉપયોગ થાય છે, જેમાં એકદિશકારક અને અર્ધવાહક (semi-conductors), દાબવિદ્યુત (Piezoelectric) ટ્રાન્સડ્યુટર (બિનવિદ્યુત ઊર્જાનું વિદ્યુત ઊર્જામાં રૂપાંતર કરનાર) અને પરાવૈદ્યુત પ્રવર્ધક (amplifiers) વગેરે પ્રયુક્તિઓનો સમાવેશ થાય છે.

ખાસ કરીને ‘પરાવૈદ્યુત’ શબ્દ ઘન અને પ્રવાહી સ્વરૂપ ધરાવતા પદાર્થો માટે પ્રયોજાય છે. વ્યાપક રીતે તેનો દ્રવ્યનાં બધાં સ્વરૂપો માટે ઉપયોગ કરી શકાય છે. આદર્શ પરાવૈદ્યુત પદાર્થ ઉપર વિદ્યુતક્ષેત્ર લાગુ પાડવા છતાં તે વિદ્યુતવાહકતા ધરાવતો નથી. વ્યવહારમાં પરાવૈદ્યુત પદાર્થો ઓછી-વત્તી વિદ્યુતવાહકતા ધરાવતા જ હોય છે. પરાવૈદ્યુત પદાર્થ ઉપર લાગુ પાડવામાં આવેલ વિદ્યુતક્ષેત્રમાં વધારો કરવાથી તેમજ તેનું તાપમાન વધારવાથી વિદ્યુતવાહકતામાં વધારો થાય છે. ઓરડાના તાપમાને પૉલિટેટ્રાફ્લોરોઇથિલીન જેવા સારા પરાવૈદ્યુત પદાર્થ માટે ડી. સી. પ્રવાહની વાહકતા ઓછી હોય છે, જ્યારે પ્લાસ્ટિસાઇઝ્ડ પૉલિવિનીલ ક્લોરાઇડ માટે તે મૂલ્ય જેટલું હોય છે.

પરાવૈદ્યુત પદાર્થ ઉપર પ્રયોજેલ વિદ્યુતક્ષેત્ર ક્રાંતિક મૂલ્ય (critical value) સુધી વધારવામાં આવે તો તે પદાર્થ એકાએક વાહક બને છે. પરિણામે તેમાંથી અનેક વિદ્યુતપ્રવાહનું વહન થાય છે. વિદ્યુતક્ષેત્રનું ક્રાંતિક મૂલ્ય પદાર્થની ભૂમિતિ એટલે કે કદ, આકાર, પરાવૈદ્યુત પદાર્થની આસપાસના મધ્યમની જાત ઉપર આધાર રાખે છે. આ સાથે પરાવૈદ્યુત પદાર્થ ઉપર પ્રયોજેલા વિદ્યુતક્ષેત્રમાં સમય સાથે જે ફેરફારો થતા હોય છે તેની ઉપર પણ તેની વાહકતા આધાર રાખે છે. વાહકતા અથવા પરાવૈદ્યુતહાનિ(dielectric loss)ને કારણે તાપમાનમાં અસ્થિરતા પેદા થાય છે. પરિણામે ઉષ્મીય ભંગાણ (thermal breakdown) સર્જાય છે.

પરાવૈદ્યુતક પદાર્થોને બે વર્ગમાં વિભાજિત કરી શકાય છે : (1) ધ્રુવીય (polar) : જે પદાર્થોના અણુઓ કાયમી વિદ્યુત દ્વિધ્રુવી (electric dipole) ધરાવે છે તેમને ધ્રુવીય પરાવૈદ્યુત કહે છે. (2) અધ્રુવીય (non-poler) : જે પદાર્થના અણુઓ કાયમી વિદ્યુત દ્વિધ્રુવીઓ ધરાવતા નથી તેમને અધ્રુવીય પરાવૈદ્યુત પદાર્થ કહે છે. અધ્રુવીય અણુ કે પરમાણુમાં ધન અને ઋણ વિદ્યુતભારોનાં કેન્દ્રો એકબીજાં ઉપર સંપાત થયેલાં હોય છે. આથી જ તો તેઓ કાયમી વિદ્યુત-દ્વિધ્રુવી ધરાવતા નથી. આવા અણુ કે પરમાણુને સમાન વિદ્યુતક્ષેત્રમાં મૂકવામાં આવે છે ત્યારે ધન અને ઋણ વિદ્યુતભારો ઉપર પરસ્પર વિરુદ્ધ દિશામાં બળો લાગતાં તેઓ છૂટા પડે છે અને વિદ્યુત દ્વિધ્રુવી પ્રેરિત થાય છે. આ ઘટનાને પરાવૈદ્યુત પદાર્થનું ધ્રુવીભવન (polarisation) કહે છે. સામાન્ય રીતે જેમનું વિદ્યુત-ધ્રુવીભવન થઈ શકે છે તેવા અવાહકોને પરાવૈદ્યુત પદાર્થો કહે છે. અવાહક પદાર્થનું સો ટકા ધ્રુવીભવન થઈ શકતું નથી.

ધ્રુવીભૂત થયેલા પરાવૈદ્યુત પદાર્થના પૃષ્ઠ પરની પૃષ્ઠ વિદ્યુત-ઘનતા (surface density) ધ્રુવીભવનની તીવ્રતા જેટલી હોય છે. વિદ્યુતક્ષેત્રની હાજરીમાં પરાવૈદ્યુત પદાર્થના અણુઓનું ધ્રુવીભવન થતાં તેના પૃષ્ઠ પર મળતા વિદ્યુતભારને બદ્ધ (bound) વિદ્યુતભાર કહે છે. વિદ્યુતક્ષેત્રમાં મૂકેલા પરાવૈદ્યુત પદાર્થોમાં ઉદ્ભવતી ધ્રુવીભવનની તીવ્રતા તે દ્રવ્યમાં અસ્તિત્વ ધરાવતા ક્ષેત્રના સમપ્રમાણમાં હોય છે.

બે પ્લેટ વચ્ચે કાચ, કાગળ જેવા પરાવૈદ્યુત પદાર્થ મૂકવામાં આવે તથા બે પ્લેટ વચ્ચેનું અંતર ઘટાડવામાં આવે તો ધારિતાની ક્ષમતા વધારી શકાય છે. અર્થાત્, સંધારિત્રની ધારિતા વધારવા માટે પરાવૈદ્યુત પદાર્થને ઉપયોગમાં લઈ શકાય છે.

આનંદ પ્ર. પટેલ