電気分極 | 定義、誘電体、メカニズム

電気分極とは

電気分極とは、絶縁体または誘電体と呼ばれる物質内の原子や分子内で、正と負の電荷が外部電場の影響で相反する方向にわずかにシフトする現象を指します。外部電場が適用されることにより、キャパシタの表面電荷が与えられた電場の強さに対して増加します。二つのプレート間に電場が適用されると、誘電体上にある逆の電荷が誘導され、適用された電場に反対します。その結果、プレート間に充填された誘電体内の電場が減少し、キャパシタがより多くの電荷を蓄えることが可能となります。

分極のタイプ

電気分極には三つのタイプがあります。
– 電子分極: 外部電場が適用されると、原子の電子雲が重い核に対して原子の寸法内で変位します。
– 方向分極: 分子が非対称的に歪むことが可能な分子に固有の、または誘導される分極です。例えば、H₂Oは典型的な例です。
– イオン分極: 例えばNaClのようなイオン結晶内で、正と負のイオン間の相対的な変位によって引き起こされる分極です。

誘電体定数

実験的には、導体間の空間が誘電体で満たされると、キャパシタの静電容量Cが増加することがわかっています。誘電体の分極は、与えられた電場の強さに対するキャパシタの表面電荷を増加させます。誘電体定数（κ）は、誘電体または絶縁体が電場内で電気エネルギーを蓄える能力を測る指標です。誘電体定数は相対誘電率ε_rと同じ量であり、エンジニアリングの標準化団体によって使用が推奨されていない用語です。真空の誘電体定数は定義上単位（1）です。空気はほとんど空間であるため、その測定された誘電体定数は単位よりわずかに大きいだけです。しかし、ストロンチウムチタン酸塩などの材料は、キャパシタの静電容量を二桁以上増加させることができます。完全に誘電体材料で満たされた領域では、誘電体定数κ_eの誘電体材料にε₀をκ_eε₀に置き換えることにより、すべての静電気方程式が修正されます。誘電体定数が大きいほど、保持できる電荷の量が大きくなります。プレート間の隙間が誘電体で完全に満たされている場合、キャパシタの静電容量は誘電体定数の因子によって増加します。C = ε_rC₀ = κ_eC₀、ここでC₀は誘電体なしでのプレート間の静電容量です。