ما هي المواد العازلة - الخصائص وتطبيقاتها

يتم تصنيف المواد كموصلات وعوازل و أشباه الموصلات بناءً على خصائص التوصيل الكهربائي الخاصة بهم. تتكون كل مادة من جزيئات تتكون بدورها من ذرات. عند تعرضها لمجال كهربائي ، تخضع هذه الذرات في المادة لعمليات إزاحة وتغييرات معينة في الخصائص. في أكتوبر 1745 ، أظهرت تجربة أجراها Ewald Georg von Kleist من ألمانيا عن طريق توصيل مولد إلكتروستاتيكي عالي الجهد بكمية من المياه التي تم جمعها في جرة يدوية باستخدام سلك أنه يمكن تخزين الشحنة. باستخدام هذه الظاهرة ، اخترع بيتر فان موشنبروك أول مكثف يسمى 'ليدن جار'. كانت خاصية المادة الجديدة التي دعمت هذا الاختراع هي 'عازل'.

ما هو العازل؟

كل مادة تتكون من ذرات. تحتوي الذرات على جسيمات سالبة وإيجابية الشحنة. النواة المركزية للذرة مشحونة إيجابيا. في أي مادة ، يتم ترتيب الذرات على شكل ثنائيات القطب ممثلة بشحنة موجبة وسالبة في نهايتها. عندما تخضع هذه المواد لمجال كهربائي ثنائي القطب تحدث لحظة.

تبدأ مادة الموصل بالتوصيل عند تطبيق الكهرباء. يقاوم العازل تدفق الكهرباء لأنه لا يحتوي على أي إلكترونات حرة متحركة في بنيته. لكن العازل الكهربائي هو نوع خاص من العوازل التي لا توصل الكهرباء ولكنها تصبح مستقطبة عند تعرضها للكهرباء.

استقطاب في عازل

في المواد العازلة ، عند تعرضها للمجال الكهربائي ، يتم إزاحة الشحنات الموجبة الموجودة في المادة في اتجاه المجال الكهربائي المطبق. يتم إزاحة الشحنات السالبة في الاتجاه المعاكس للحقل الكهربائي المطبق. هذا يؤدي إلى استقطاب عازل. في المواد العازلة ، لا تتدفق الشحنات الكهربائية عبر المادة. يقلل الاستقطاب من المجال الكلي للعزل الكهربائي.

خصائص العازل

تم تقديم مصطلح عازل لأول مرة بواسطة William Whewell. إنه مزيج من كلمتين - 'ضياء' و 'كهربائي'. الموصلية الكهربائية لعزل كهربائي مثالي هي صفر. يقوم العازل الكهربائي بتخزين وتبديد الطاقة الكهربائية بشكل مشابه لمكثف مثالي. بعض الخصائص الرئيسية للمادة العازلة هي القابلية للكهرباء ، الاستقطاب العازل ، التشتت العازل ، استرخاء العازل ، الانضباط ، إلخ ...

الحساسية الكهربائية

مدى سهولة استقطاب مادة عازلة للكهرباء عند تعريضها لمجال كهربائي يتم قياسه بواسطة القابلية الكهربائية. تحدد هذه الكمية أيضًا النفاذية الكهربائية للمادة.

استقطاب عازل

العزم الكهربائي ثنائي القطب هو مقياس لفصل الشحنة السالبة والموجبة في النظام. العلاقة بين العزم ثنائي القطب (M) والمجال الكهربائي (E) تؤدي إلى خصائص العزل الكهربائي. عندما يتم إزالة المجال الكهربائي المطبق ، تعود الذرة إلى حالتها الأصلية. يحدث هذا بطريقة الاضمحلال الأسي. يُعرف الوقت الذي تستغرقه الذرة للوصول إلى حالتها الأصلية بوقت الاسترخاء.

إجمالي الاستقطاب

هناك نوعان من العوامل التي تحدد استقطاب العازل. هم تشكيل العزم ثنائي القطب واتجاههم بالنسبة إلى المجال الكهربائي. بناءً على النوع ثنائي القطب الأولي ، يمكن أن يكون هناك استقطاب إلكتروني أو استقطاب أيوني. الاستقطاب الإلكتروني ص_يكونيحدث عندما تتكون الجزيئات العازلة التي تشكل العزم ثنائي القطب من جزيئات محايدة.

الاستقطاب الأيوني P_أناوالاستقطاب الإلكتروني كلاهما مستقل عن درجة الحرارة. يتم إنتاج لحظات ثنائية القطب الدائمة في الجزيئات عندما يكون هناك توزيع غير متماثل للشحنة بين الذرات المختلفة. في مثل هذه الحالات ، الاستقطاب التوجيهي P_أوملاحظ. في حالة وجود شحنة مجانية في المادة العازلة ، فإنها ستؤدي إلى استقطاب الشحنة الفضائية P_س. يشمل الاستقطاب الكلي للعزل الكهربائي كل هذه الآليات. وبالتالي فإن الاستقطاب الكلي للمادة العازلة هو

ص_مجموع= ص_أنا+ ص_يكون+ ص_أو+ ص_س

تشتت عازل

عندما يكون P هو أقصى استقطاب يحققه العازل ، t_صهو وقت الاسترخاء لعملية استقطاب معينة ، يمكن التعبير عن عملية الاستقطاب العازل على النحو التالي

P (t) = P [1-exp (-t / t_ص)]

يختلف وقت الاسترخاء باختلاف عمليات الاستقطاب. الاستقطاب الإلكتروني سريع جدًا يتبعه الاستقطاب الأيوني. استقطاب الاتجاه أبطأ من الاستقطاب الأيوني. استقطاب الشحنة الفضائية بطيء جدًا.

انهيار العزل الكهربائي

عند تطبيق مجالات كهربائية أعلى ، يبدأ العازل بالتوصيل ويتصرف كموصل. في مثل هذه الظروف ، تفقد المواد العازلة للكهرباء خصائصها العازلة. تُعرف هذه الظاهرة باسم الانهيار العازل. إنها عملية لا رجوع فيها. هذا يؤدي إلى فشل المواد العازلة.

أنواع المواد العازلة

يتم تصنيف العوازل على أساس نوع الجزيء الموجود في المادة. هناك نوعان من المواد العازلة - العوازل القطبية وغير القطبية.

عوازل قطبية

في العوازل القطبية ، لا يتطابق مركز كتلة الجسيمات الموجبة مع مركز كتلة الجسيمات السالبة. هنا توجد لحظة ثنائي القطب. الجزيئات غير متماثلة في الشكل. عندما يتم تطبيق المجال الكهربائي ، فإن الجزيئات تتماشى مع المجال الكهربائي. عند إزالة المجال الكهربائي ، يتم ملاحظة عزم ثنائي القطب العشوائي ويصبح صافي عزم ثنائي القطب في الجزيئات صفراً. الأمثلة هي H2O و CO2 وما إلى ذلك ...

عوازل غير قطبية

في العوازل غير القطبية ، يتطابق مركز كتلة الجسيمات الموجبة مع الجسيمات السالبة. لا توجد لحظة ثنائية القطب في هذه الجزيئات. هذه الجزيئات متناظرة في الشكل. أمثلة العوازل غير القطبية هي H2 ، N2 ، O2 ، إلخ ...

أمثلة على المواد العازلة

يمكن أن تكون المواد العازلة للكهرباء مواد صلبة وسوائل وغازات وفراغ. تستخدم العوازل الصلبة بشكل كبير في الهندسة الكهربائية. بعض الأمثلة على المواد العازلة المباعة هي الخزف والسيراميك والزجاج والورق ، إلخ ... الهواء الجاف ، والنيتروجين ، وسادس فلوريد الكبريت وأكاسيد المعادن المختلفة هي أمثلة على العوازل الغازية. الماء المقطر وزيت المحولات أمثلة شائعة للعوازل السائلة.

تطبيقات المواد العازلة

بعض تطبيقات العوازل هي كما يلي:

• هذه تستخدم لتخزين الطاقة في المكثفات .
• لتعزيز أداء جهاز أشباه الموصلات ، يتم استخدام مواد عازلة عالية السماحية.
• تستخدم العوازل في شاشات الكريستال السائل.
• يستخدم عازل السيراميك في مذبذب مرنان عازل.
• الأفلام الرقيقة من تيتانات الباريوم سترونتيوم عازلة للكهرباء والتي تستخدم في أجهزة ضبط الميكروويف التي توفر قابلية ضبط عالية وتيار تسرب منخفض
• يستخدم الباريلين في الطلاءات الصناعية حيث يعمل كحاجز بين الركيزة والبيئة الخارجية.
• في الكهرباء محولات تستخدم الزيوت المعدنية كعزل سائل وتساعد في عملية التبريد.
• يستخدم زيت الخروع في المكثفات عالية الجهد لزيادة قيمة السعة.
• Electrets ، مادة عازلة معالجة خاصة تعمل كمكافئ كهروستاتيكي للمغناطيس.

أسئلة وأجوبة

1). ما فائدة العازل في المكثفات؟

تساعد العوازل المستخدمة في المكثف على تقليل المجال الكهربائي مما يؤدي بدوره إلى تقليل الجهد وبالتالي زيادة السعة.

2). ما هي المواد العازلة المستخدمة على نطاق واسع في المكثفات؟

في المكثفات ، يتم استخدام المواد العازلة مثل الزجاج والسيراميك والهواء والميكا والورق والأفلام البلاستيكية على نطاق واسع.

3). ما هي المادة التي لديها أعلى قوة عازلة؟

لوحظ أن الفراغ المثالي يحتوي على أعلى قوة عازلة.

4). هل كل العوازل عازلة للكهرباء؟

لا ، على الرغم من أن العوازل تتصرف كعوازل ، فليست كل العوازل هي عوازل كهربائية.

وبالتالي ، تشكل العوازل جزءًا مهمًا من المكثفات. يجب أن تحتوي المادة العازلة الجيدة على ثابت عازل جيد ، وقوة عازلة ، وعامل خسارة منخفض ، واستقرار درجة حرارة عالية ، واستقرار تخزين عالي ، واستجابة تردد جيدة ، ويجب أن تكون قابلة للتعديل في العمليات الصناعية. تلعب العوازل أيضًا دورًا حيويًا في الدوائر الإلكترونية عالية التردد. يعطي قياس الخصائص العازلة للكهرباء للمادة معلومات حول خصائصها الكهربائية أو المغناطيسية. ما هو ثابت العزل؟