誘電体の分極と誘電率

誘電体はコンデンサの材料にも使われていますが、直接的に誘電体内部に電気が通るということはありません。そのため、電気を通さない絶縁体に分類されます。しかし、周波数が高い交流回路では、インピーダンス（抵抗）成分を持ちながらも電気は流れます。
誘電体は、プラスとマイナスの電気がかかった電極の間に挟まれると、その電気場の影響を受けて分極と呼ばれる状態になります。分極は、誘電体が分子レベルで、プラスに引き寄せられる側とマイナスに引き寄せられる側に分かれて整列する現象で、プラスとマイナスの電気に対応した分極が起きます。

分極した誘電体は、電子を電極上に引き付ける性質を持っています。この分極により、電気（電子）の一部がコンデンサの電極から離れられなくなって、電気をため込む性質となります。交流回路では、周波数が高くなるとコンデンサの両極にかかるプラスとマイナスが頻繁に入れ替わるので、コンデンサ電極から離れられなくなった一部の電気が入れ替わるのに抵抗する形となり、これがインピーダンス成分となります。

誘電体は、絶縁体に分類されますが、誘電分極というメカニズムによって、電気をためたり、交流回路では見かけ上の電気抵抗になったりするのです。

誘電体が電気をためる大きさを表す誘電率がありますが、これは誘電分極のしやすさの表す指標とも言えます。真空の誘電率との比で何倍かということを示す比誘電率が用いられることが多く、比誘電率は誘電体の種類によって異なります。コンデンサの性能には、誘電体材料の特性が重要な要素となります。

金属、半導体、絶縁体の電気的性質

では、金属や半導体など電気を通す物質（導体）と、絶縁体は原子構造的にどのような違いがあるのでしょうか。金属などの電気伝導体（導体）は電気をよく通すため電線に用いられます。金属を原子レベルで考えたとき、自由に動き回れることができる「自由電子」を、他の物質と比べ物にならないぐらい多く持っていることが分かっています。この自由電子が、電圧がかかったときに移動し、電気が流れるという状態になります。

では、半導体はどうでしょう？　金属ほどの自由電子は持っていませんが、外部からエネルギーを与えると自由電子が飛び出す性質を持っています。また、材料や作り方次第で自由電子が多い半導体（n型半導体）と、電子と対になる「正孔」が多い半導体（p型半導体）を作り分けることができます。

この2種の半導体を組み合わせることで、一方向にしか電流が流れないダイオードや、電流を流したいときだけ電流を流すような制御を行うトランジスタを作ることができます。ダイオードであれば電流が流れない方向から見れば、絶縁体となります。つまり、場合によって金属のような導体にも、絶縁体にもなるのが「半導体」ということになります。

最後に絶縁体です。絶縁体はシンプルで原子に自由電子をほとんど持っていません。実際には半導体のようにエネルギーをかけると自由電子を放出するのですが、それに至るまでに必要なエネルギーが大きく、電気を簡単には通しません。具体的物質としてはビニルやプラスチックなどとなります。誘電体も、この分類上は電気を（簡単には）通さない絶縁体に分類されます。

絶縁体に起きる絶縁破壊

電気を通さない絶縁体であっても、ある電圧以上の電圧がかかると電気が流れてしまいます。この現象を絶縁破壊と呼びます。半導体はエネルギーをかけると自由電子を放出しますが、一定の電圧以上のエネルギーをかけると絶縁体も自由電子を放出するという原子レベルの構造によるものです。

例えば、空気も一般的には電気を通さない絶縁体ですが、雲の中の静電気で高電圧状態となった際に大地との電圧差によって電気が流れます（落雷）。この落雷も空気に一定以上の電圧というエネルギーがかかったために発生する絶縁破壊です。これと同じようにビニル電線などの電線被覆や誘電体にも、許容電圧以上の電圧がかかると絶縁破壊を起こすため、注意が必要です。

フィルムコンデンサ

電極間にポリエチレンなどのビニル類を挟み込んだコンデンサがフィルムコンデンサです。ビニルのため、電極間は電気的に完全に絶縁されます。また、寿命も長く安価なのですが、誘電体の比誘電率は3程度で、他のコンデンサと比べて低容量です。オーディオ機器のノイズ除去などに多く用いられます。