विद्युत् अपारक पदार्थ

विद्युत् अपारक पदार्थ : ज्या द्रव्यातून विद्युत् प्रवाहाला अतिशय मोठ्या प्रमाणात विरोध होतो, पण ज्यामध्ये शक्तीचा अपव्यय किमान होऊन विद्युत् क्षेत्र स्थिरपणे टिकविता येते अशा द्रव्याला अपारक म्हणतात. हे पदार्थ विजेचे अतिशय मंदवाहक (किंवा अत्यल्प विद्युत् संवाहकता असलेले) असून विद्युत् निरोधक म्हणून त्यांचा मोठ्या प्रमाणात वापर होतो, उदा.,  हवा, चिनी माती, अभ्रक, काच. यामुळे विद्युत् अपारक ही संज्ञा विद्युत् निरोधक या अर्थानेही वापरतात. विद्युत् क्षेत्रात ठेवलेल्या आदर्श विद्युत् अपारक पदार्थांतून विद्युत् प्रवाह मुळीच वाहत नाही. संपूर्ण निर्वात आदर्श विद्युत् अपारक असते असे म्हणता येते कारण धातूंमध्ये असतात तसे द्रव्यातून वाहत जाऊ शकणारे सैलपणे बद्ध असलेले किंवा मुक्त इलेक्ट्रॉन या पदार्थात नसतात. या ऐवजी विद्युत् अपारक पदार्थात विद्युत् ध्रुवीकरण घडते. सर्व पदार्थांत इलेक्ट्रॉन हे असतातच, त्यावरील ऋण विद्युत् भारामुळे हे इलेक्ट्रॉन विद्युत् क्षेत्राच्या विरुध्द तर पदार्थातील धन विद्युत् भार याच्या विरुध्द दिशेत किंचित प्रमाणात विस्थापित होतो. अशा प्रकारे विरुध्द भार किंचित अलग होण्याच्या क्रियेला ध्रुवीकरण म्हणतात. अशा ध्रुवीकरणाने विद्युत् अपारक पदार्थातील प्रत्यक्ष विद्युत् क्षेत्र कमी होते. त्यामुळे पदार्थाला विद्युत् नसतो. सर्वच अपारक पदार्थ किंचित विद्युत् संवाहक असून त्यांची ही संवाहकता तापमान व लावलेले विद्युत् क्षेत्र यांच्यानुसार बदलते. कोणताही विद्युत् अपारक पदार्थ विद्युत् क्षेत्रात ठेवल्यास विद्युत् भार वाहकाच्या विस्थापनामुळे त्याच्या आकारमानात किंचित बदल होतो. या आविष्काराला विद्युत् आकारांतर म्हणतात [⟶ विद्युत् आकारांतर].

सामान्यपणे विद्युत् अपारक पदार्थ घनरूप असतात. मात्र काही द्रवरूप (उदा., खनिज तेले), वायुरूप (उदा., कोरडी हवा) आणि संमिश्र सामग्रीचा रूपातील (उदा., खनिज तेलयुक्त कागद) विद्युत् अपारक पदार्थही उपलब्ध आहेत. अंबर, गंधक, लाकूड, असल्फाल्ट, कागद, मृत्तिका इ. नैसर्गिक द्रव्ये प्रथम विद्युत् अपारक म्हणून वापरली गेली. टिटॅनियम डाय-ऑक्साइड (Tio₂) बेरियम टिटॅनेट (BaTio₂) इ. रसायने, तसेच विविध प्रकारची मानवनिर्मित प्लॅस्टिके व रेझिने इ. असंख्य नवे विद्युत् इष्ट विद्युत् अपारक पदार्थ पुढे आले. विद्युत् सामग्रीतील संवाहक घटक नवे एकमेकांपासून व आजूबाजूच्या इतर वस्तूंपासून अलग अशा योग्य जागी धरून ठेवण्यासाठी विद्युत् अपारक वापरतात. यामुळे विजेचा प्रवाह इष्ट मार्गानेच वाहत जाऊन अनिष्ठ मार्गाने त्याची गळती होत नाही. सर्व प्रकारच्या विद्युत् सामग्रीत यांचा मार्गाने त्याची अनिवार्य झाला आहे. सर्व प्रकारच्या विद्युत् सामग्रीत यांचा उपयोग अनिवार्य झाला आहे (उदा., दूरचित्रवाणी संच, रेडिओ ग्राही. विजेचे घड्याळ, विद्युत् चलित्र, टोस्टर वगैरे).

विद्युत् अपार्यता : ज्या क्रांतिक मूल्यापेक्षा विद्युत् दाब जास्त झाल्यास पदार्थ अपारक (वा निरोधक) म्हणून कार्य करू शकत नाही, त्या विद्युत् दाबाला निरंजन विद्युत् दाब म्हणतात. या दाबाकरिता जे महत्तम क्षेत्र वापरता येते, त्याला विद्युत् अपार्यता म्हणतात. याचा अर्थ न फुटता अथवा बिघाड न होता पदार्थ जी कमाल विद्युत् वर्चसीय प्रणवता सहन करू शकतो. तिला विद्युत् अपार्यताल म्हणतात. या मर्यादेपेक्षा जास्त विद्युत् क्षेत्र लावल्यास विद्युत् अपारक पदार्थाची अपारकता भंग पावते म्हणजे विद्युत् दाबातील अल्पशा बदलाने या मर्यादेपलीकडील पदार्थांतील विद्युत् प्रवाह अचानकपणे मोठ्या प्रमाणात वाढतो व त्यामुळे विभंजक विसर्जन होऊन पदार्थ नष्ट होऊ शकतो.

विद्युत् अपार्यता हे विद्युत् अपारक पदार्थाच्या पट्टीच्या निरोधक गुणवत्तेचे माप आहे आणि सामान्यपणे विद्युत् अपार्यता व्होल्ट-मिमी. (कधीकधी कीलोव्होल्ट-मिमी) या एककात देतात. म्हणजे १ मिमी जाडीची पटटी विद्युत् अग्रांमध्ये ठेवून विद्युत् दाब हळूहळू वाढवीत नेल्यास जो कमाल विद्युत् दाब ती सहन करू शकेल, तो तिची विद्युत् अपार्यता होय. पट्टीची जाडी वाढली की, विद्युत् अपार्यता कमी होते. उदा., ०.०२ मिमी. जाडीच्या हवेच्या थराची विद्युत् अपार्यता ५,००० व्होल्ट मिमी पेक्षा जास्त आढळलीस तर १० मिमी. जाडीच्या हवेच्या थराची विद्युत् अपार्यता ३,००० व्होल्ट मिमी. यापेक्षा थोडी कमी असते, पदार्थाचे तापमान वाढले, तरी त्याची विद्युत् अपार्यता कमी होते.

विद्युत् अपार्यता हानी : विद्युत् अपारक पदार्थात वहन क्रियेने विद्युत् शक्तीचा जो अपव्यय होतो त्याला विद्युत् अपार्यता हानी (विद्युतीय हानी) म्हणतात. ही हानी अंशतः या पदार्थातील क्षरण प्रवाहाने (पदार्थातून वा त्याच्या पृष्ठभागावरून जाणाऱ्या अनिष्ट प्रवाहाने) व अंशतः मंदायनाने होते (पदार्थातील धन व ऋण विद्युत् भाराच्या गतिक विस्थापन हालचालीमुळे काही ऊर्जा व्यय होते). पदार्थातील रेणूमध्ये जी सतत परस्परक्रिया होत असते, त्यामुळे या ऊर्जेचे वितरण होते, विद्युत् क्षेत्र कायम ठेवल्यास पदार्थांच्या उच्च तापमानाला व काही पदार्थांच्या बाबतीत उच्च कंप्रतेचा प्रत्यावर्ती  विद्युत् क्षेत्राच्या बाबतीत (उदा., सूक्ष्मतरंग) अशी हानी जास्त होते.  गुणधर्माचा उपयोग उद्योगधंद्यात व वैद्यकीय चिकीत्सेत वापरण्यात येणारे तापन साहित्य तयार करण्यासाठी होतो.

विद्युत् अपार्यता स्थिरांक : विद्युत् अपारक पदार्थाचा विद्युत् आविष्कारांवर परिणाम होतो. दोन विद्युत् भारित वस्तूंमधील प्रेरणा ही त्यांच्यातील विद्युत् अपारक पदार्थांवर अवलंबून असते. उदा., विद्युत् धारित्राची (विद्युत् भार साठवून ठेवणाऱ्या साधनाची) धारिता त्याच्या पट्ट्यांमधील अशा पदार्थावर अवलंबून असते. विद्युत् अपार्यता स्थिरांक (k) हा विद्युत् अपारक पदार्थाचा एक गुणधर्म हे. तो विद्युत् अपारक पदार्थाने भरलेल्या धारित्राची धारिता (C) व याच प्रकारच्या धारित्राची निर्वातातील धारिता (C_o) यांच्या गुणोत्तराने

दर्शवितात

कधीकधी याला सापेक्ष पार्यता (विद्युत् शीलता) वा विशिष्ट प्रवर्तनी अपार्यता म्हणतात. सेंमी. ग्रॅ.से. या पध्दतीत हा स्थिरांक व पार्यता ही दोन्ही सममूल्य असतात.

विद्युत् धारित्राच्या पट्ट्यांमधील माध्यम निर्वात (किंवा हवा) या ऐवजी विद्युत् अपारक पदार्थाचे असल्यास धारितेत लक्षणीय वाढ मिळते म्हणजे विद्युत् अपारक पदार्थ हे माध्यम असताना प्रत्येक पट्टी वर विरुध्द विद्युत् भार साठविण्यांची असणारी क्षमता ही या पट्ट्यांमधील माध्यम निर्वात असतानाच्या त्यांच्या क्षमतेपेक्षा जास्त असते.

विद्युत् अपार्यता स्थिरांक ही एक निव्व्ळ संख्या असते. त्याला परिमाणे नसतात. एका मापनपध्दतीत (सेंमी.ग्रॅ.से.) निर्वातातील या स्थिरांकाचे मूल्य १ धरतात. याचा अर्थ कोणत्याही अन्य द्रव्याचा हा स्थिरांक १ पेक्षा जास्त असतो. उदा., कोठी तापमानाला (२५^० से.ला हवेचा किंवा वायूचा १.०००५९, पॅराफिनाचा २.२५ पाण्याचा ७८.२ व बेरियम टिटॅनेटाच्या स्फटिकाच्या प्रमुख अक्षाला काटकोनात विद्युत् क्षेत्र लावले असताना सु. २,००० एवढा हा स्थिरांक असतो. हवा वन निर्वात यांचा विद्युत् अपार्यता स्थिरांक जवळजवळ सारखाच असतो. म्हणजे निर्वताऐवजी हवा वापरली, तर धारित्राची धरिता वाढत नाही. तसेच विद्युत् अपारक पदार्थायुक्त धारित्राची धारिता आणि हवेने भरलेल्या त्याच प्रकारच्या धरित्रांची धरिता यांच्या मूल्यांची तुलना करून घनरूप व द्रवरूप विद्युत् अपारक पदार्थांच्या विद्युत् अपार्यता स्थिरांकाचे मूल्यमापन करता येते.

हा स्थिरांक पदार्थाच्या गुणधर्मावर अवलंबून असतो. याचा उपयोग मुख्यतः शुद्ध रसायनांच्या परिमाणात्मक व गुणात्मक रासायनिक विश्लेषणासाठी करता येतो. हा स्थिरांक व प्रणमनांक (वक्रीभवनांक) यांच्या मदतीने अणूच्या अंतर्गत संरचेनविषयी माहिती मिळविता येते. या पद्धतीचा उपयोग करून ॲझोबेंझीन(C₁₂H₁₀N₂), डाय-आयोडो-ॲसिटिलीन (C₂T₂) व कार्बन सब-ऑक्सइड (C₃O₂) यांचा अणूंची अंतर्गत संरचता निश्चित करण्यात आली आणि बेंझीन हेक्झॅक्लोराइडाचे ∝ व β हे समघटक (रासायनिक संघटन एकच पण आणवीय संरचना भिन्न असणारे प्रकार) यांची अलगपणे ओळख करून घेणे शक्य झाले. (‘रेणवीय भौतिकी’ या लेखात विद्युन् अपार्यता स्थिरांकाची सैद्धांतिक माहीती दिली आहे).

विद्युत् अपारक तापन : ज्या पदार्थातून विद्युत् संवहन नगण्य मूल्याचे असते, अशा विद्युत् अपारकास कुसंवाहक म्हणतात. असे पदार्थ एका वेगळ्या पद्धतीने तापविता येतात. विद्युत् अपारक पदार्थ हे उष्णतेचेही कुसंधांहक असतात. त्याच्या पृष्ठमागाला बाहेरून (उदा.,गॅस शेगडीद्धारे), उष्णता देऊन ते झटपट व सर्वत्र एकसारखे तापविता येत नाहीत, म्हणून  त्याच्यासाठी ही पद्धती वापरतात. या पद्धतीला धारता ‘तापन पद्ती असेही म्हणतात. बदलणाऱ्या विद्युत् स्थितिक क्षेत्रात (ज्यातील वपद्युत् भारावर विद्युत् प्रेरणा कार्य करीत असतात अशा क्षेत्रात) विद्युत् अपारक पदार्थ ठेवल्यास, त्यामध्ये विद्युत् अपार्यता हानीच्या योगे उष्णता निर्माण होत असते. या उष्णतेच्या साहाय्याने तो पदार्थ तापविता येतो.

या पद्धतीत तापवावयाचा पदार्थ दोन अग्रांमध्ये (विद्युत् धारित्राच्या  पट्ट्यांप्रमाणे कार्य करणाऱ्या धातूच्या पट्ट्यांमध्ये) ठेवतात. अशा रीतीने हा पदार्थ धारित्राचा विद्युत् अपारकी घटक बनतो. ही विद्युत् अग्रे उच्च प्रत्यावर्ती विद्युत् दाबाच्या उद्‌ममाला जोडतात. हा विद्युत् दाब उच्च कंप्रता निर्धात नलिका  आंदोलकाने निर्माण केकेला असतो. याची कंप्रता १-१०० मेगॅहर्ट्‌झ दरम्यानची असते. विद्युत् अग्रांमधील  विद्युत् क्षेत्राने पुरवलेली काही ऊर्जा विद्युत् अपारक पदार्थ शोषतो. त्याच्या प्रभावाने विद्युत् भार मागे-पुढे होऊन रेणवीय घर्षण होते व पदार्थाच्या अंतरंगात सर्वत्र तेवढीच असते. अशा प्रकारे ही जलदपणे व एकसमान तापन करण्याची पद्धत आहे. परंपरागत तापन पद्धतीत उष्णता विसरणाची त्वरा मंद असते व ही अडचण विद्युत् अपारक तापन पद्धतीत उद्‌भवत नाही.(‘औद्योगिक इलेक्ट्रॉनिकी’ व ‘विद्युत् तापन’ या नोंदीत विद्युत् अपारक तापन पद्धतीची अधिक माहिती दिली आहे).

विद्युत् अपारक पदार्थाचे उपयोग : मृत्तिका, काच, रबर, खनिजे, अभ्रक, मॅग्नेशिया, ॲस्बेस्टस, कागद, तंतुमय पदार्थ इ. घनरूप विद्युत् अपांरक पदार्थ अनेक ठिकाणी वापरले जातात. वापर करताना त्यांचे विद्युतीय, औष्णिक व यांत्रिक गुणधर्म विचारात घ्यावे लागतात. विद्युत् निरोधक म्हणून वापार करावयाचा असल्यास त्यांचे औष्णिक, विद्युतीय गुणधर्म सखोलपणे अभ्यासले जातात. यांत्रिक व औष्णिक या दोन्ही रोधांच्या दृष्टीने विचार करता मृत्तिका व खनिजे वापरण्यास योग्य, तर लवचिकपणा व ताण सहन करण्याची गरज असल्यास रबर,पॉलिव्हिनिल क्लोराइड (पीव्हीसी) प्लॅस्टिक  इ.योग्य ठरतात.

अनेक प्रकारची कृत्रिम बहुवारीके व रेझिने [⟶ प्लॅस्टिक व उच्च बहुवारिके] यांचा विद्युत् अपारक म्हणून उपयोग वाढत आहे. पॉलिटेट्राफ्ल्युओरोएथिलीन, पॉलिमिथिल मेथाकीलेट, पॉलिअमाइड, इथॉक्सीसारखी रेझिने हे असे काही या प्रकारचे विद्युत् अपारक पदार्थ आहेत. स्फटिकरूपात प्लॅस्टिकांची धनता, टणकपणा व ठिसूळपणा जास्त असून त्यांच्यावर रसायनांचा परिणाम पण कमी होतो. याउलट नेहमीच्या वापरातील अस्फटिकी प्लॅस्टिकांची उपयुक्तता वाढविण्याकरिता त्यांच्यात रंगद्रव्ये, प्रतिऑक्सिडीकारक, स्थिरीकारक पदार्थ घालून त्यांचे गणधर्म योग्य प्रकार प्रकारे सुधारले जातात.

विद्युत् तारांभोवतीचे वेष्ठन, विद्युत् धारित्रातील माध्यम, विद्युत् चुंबकीय तरंगांचे प्रसारण व परावर्तन करणारी साधने, तसेच एएकदिशकारक, अर्धसंवाहक, दाबविद्युत् प्रवर्धक, स्मरण मंडल इ. प्रयुक्तींत विद्युत् अपारक पदार्थाचा उपयोग केला जातो.

खनिज तेले, सिलिकोन तेले, हॅलोजनीकृत हायड्रोकार्बने हे द्रवरूप विद्युत् अपारक पदार्थ चांगले विद्युत् रोधक असून ते विद्युत् रोहित्र, विद्युत् मंडल खंडक, विद्युत् धारीत्र बगैरेंमध्ये वापरले जातात.

निर्वात व वायुरूप विद्युत् अपारक पदार्थ यांचा सापेक्षतः कमी वापर होतो. निर्वात नलिका, विद्युत् दाबनियामक, तडित् संवाहक इत्यादींमध्ये ही माध्यमे वापरली जातात.

पहा : निरोधक, विद्युत् विद्युत् धारित्र.

संदर्भ : 1. Anderson, J. C. Dielectrics. 1964.

           2. Birks, J. B., Ed., Progress in Dielectrlcs , 5 Vols.,1963.

           3. Blytho, A. R. EIectrlcal propertics of Polymars  New York. 1979.

           4. Galiaher T. J. Simple Dlelectric Liquids. New York 1975.

          5. D’ Dmyer, J. J. the Theory  oF Electrlc Condition  and  Breakdown  in  sold Dieletrlcs, New York,1973.

बापट, अ. वा ठाकूर, अ. ना.

“