المواد العازلة: التعريف، الخصائص والتطبيقات
يُعرَف المادّة العازلة بأنها عازل كهربائي يمكن تقطيره بواسطة حقل كهربائي مطبّق. هذا يعني أنه عندما يتم وضع مادة عازلة في حقل كهربائي، فإنها لا تسمح بمرور الشحنات الكهربائية عبرها، بل بدلاً من ذلك، تقوم بمحاذاة ثنائياتها القطبية الداخلية (أزواج من الشحنات المعاكسة) في اتجاه الحقل. هذه المحاذاة تقلل من الحقل الكهربائي الإجمالي داخل المادة العازلة وتزيد من القدرة الكهربية للمكثف الذي يستخدمها.
كيف تعمل المواد العازلة؟
لفهم كيفية عمل المواد العازلة، يجب أن نعرف بعض المفاهيم الأساسية للكهرومغناطيسية.
يعتبر المجال الكهربائي منطقة في الفضاء حيث تواجه الشحنة الكهربائية قوة. واتجاه المجال الكهربائي هو اتجاه القوة على شحنة موجبة، وحجم المجال الكهربائي يتناسب مع قوة القوة. يتم إنشاء المجالات الكهربائية بواسطة الشحنات الكهربائية أو التغييرات في المجالات المغناطيسية.
التقطير الكهربائي
يعد التقطير الكهربائي فصل الشحنات الموجبة والسالبة داخل مادة بسبب مجال كهربائي خارجي. عندما يتم تقطير مادة، فإنه يتطور فيها لحظة ثنائية القطب الكهربائية، وهي قياس لكيفية فصل الشحنات وكيفية محاذاتها. اللحظة الثنائية القطب الكهربائية للمادة تتناسب مع استعدادها الكهربائي للتأثر المغناطيسي، وهو قياس لكيفية سهولة تقطيرها.
القدرة الكهربية
تعتبر القدرة الكهربية هي قدرة النظام على تخزين الشحنة الكهربائية. المكثف هو جهاز يتكون من اثنين من المؤدين (الصفائح) مفصولة بعازل (مادة عازلة). عندما يتم تطبيق جهد عبر الصفائح، يتم إنشاء مجال كهربائي بينهما، وتتراكم الشحنات على كل صفحة. القدرة الكهربية للمكثف تتناسب طردياً مع مساحة الصفائح، ومعكوساً بالنسبة للمسافة بينهما، وطردياً بالنسبة للثابت العازل للمادة العازلة.
خصائص المواد العازلة
بعض الخصائص الهامة للمواد العازلة هي:
الثابت العازل: هذا هو كمية بلا أبعاد تشير إلى مدى زيادة المادة للقدرة الكهربية للمكثف مقارنة بالفراغ. ويسمى أيضاً السماحية النسبية أو نسبة السماحية. الثابت العازل للفراغ هو 1، والثابت العازل للهواء حوالي 1.0006. تشمل المواد ذات الثوابت العازلة العالية الماء (حوالي 80)، والتيتانيوم الباريوم (حوالي 1200)، والتيتانيوم السترونتيوم (حوالي 2000).
قوة العازل: هذا هو الحقل الكهربائي الأقصى الذي يمكن لمادة تحمله دون الانهيار أو التحول إلى موصل. يتم قياسه بوحدات الفولت لكل متر (V/m) أو الكيلوفولت لكل مليمتر (kV/mm). قوة العازل للهواء حوالي 3 MV/m، وقوة العازل للزجاج حوالي 10 MV/m.
خسارة العازل: هذا هو كمية الطاقة التي يتم تبديد كحرارة عند تطبيق مجال كهربائي متغير على مادة. يتم قياسه بواسطة ظل الجيب أو عامل التبديد، وهو نسبة الجزء الخيالي إلى الجزء الحقيقي من السماحية المعقدة. تعتمد خسارة العازل على تردده وتذبذبه، وكذلك على بنية ونقاء المادة. تعتبر المواد ذات الخسارة العازلة المنخفضة مرغوبة للتطبيقات التي تتطلب كفاءة عالية وتسخينًا منخفضًا.
أنواع وأمثلة للمواد العازلة
يمكن تصنيف المواد العازلة إلى أنواع مختلفة بناءً على تركيبها الجزيئي وآلية تقطيرها. بعض الأنواع الشائعة والأمثلة هي:
الفراغ: هذا هو غياب المادة وبالتالي ليس له تقطير. لديه ثابت عازل يساوي 1 ولا يوجد خسارة عازلة.
الغازات: هذه تتكون من ذرات أو جزيئات تكون مربوطة بشكل فضفاض ويمكنها التحرك بحرية. لديها ثوابت عازلة منخفضة (قريبة من 1) وخسائر عازلة منخفضة. أمثلة تشمل الهواء، النيتروجين، الهيليوم، والكبريت هكسافلوريد.
السوائل: هذه تتكون من جزيئات تكون مربوطة بشكل أقوى من الغازات ولكنها لا تزال قادرة على التحرك. لديها ثوابت عازلة أعلى من الغازات (تتراوح من 2 إلى 80) وخسائر عازلة أعلى. أمثلة تشمل الماء، زيت المحول، الإيثانول، والجليسرول.
الصلبات: هذه تتكون من ذرات أو جزيئات تكون مربوطة بشكل قوي في مواقع ثابتة. لديها ثوابت عازلة أعلى من السوائل (تتراوح من 3 إلى 2000) وخسائر عازلة أعلى. أمثلة تشمل الزجاج، السيراميك، البلاستيك، المطاط، الورق، الميكا، والكوارتز.
تطبيقات المواد العازلة
لدى المواد العازلة العديد من التطبيقات في مختلف المجالات العلمية والهندسية. بعض الأمثلة هي:
المكثفات: هذه هي الأجهزة التي تخزن الشحنة والطاقة الكهربائية باستخدام المواد العازلة بين مؤدين. تستخدم المكثفات للتصفية، والتنعيم، والتواقيت، والربط، والفصل، والضبط، والاستشعار، وتحويل الطاقة في الدوائر الإلكترونية.
العازلات: هذه هي المواد التي تمنع تيار الكهرباء من التدفق عبرها باستخدام مقاومة عالية وقوة عازلة عالية. تستخدم العازلات لحماية، والعزل، والدعم، والفصل بين المكونات الكهربائية والأسلاك.
المتحولات: هذه هي الأجهزة التي تحويل نوع من الطاقة إلى آخر باستخدام المواد العازلة التي تظهر الخواص الكهروضغطية أو الاستطال الكهربائي. الخواص الكهروضغطية هي خاصية بعض المواد لتوليد فولت كهربائي عند تعرضها لضغط ميكانيكي أو العكس. الاستطال الكهربائي هو خاصية بعض المواد لتغيير شكلها أو حجمها عند تعرضها لمجال كهربائي أو العكس. تستخدم المتحولات لتوليد، واكتشاف، وقياس، وتحكم في موجات الصوت، والموجات فوق الصوتية، والاهتزازات، والضغط، والقوة، والازاحة، والحرارة، وغيرها.
أجهزة الضوء: هذه هي الأجهزة التي تتحكم في موجات الضوء باستخدام المواد العازلة التي تظهر خصائص ضوئية مثل الانكسار، والانعكاس، والامتصاص، والتشتت، والانتشار، والثنائية القطبية، وغيرها. تستخدم أجهزة الضوء لإرسال، واستقبال، وتعديل، وتبديل، وتصفية، وتكبير، وتقسيم، ودمج، وتخزين، ومعالجة، وعرض، وتصوير، واستشعار، وغيرها من الإشارات الضوئية.
أجهزة الذاكرة: هذه هي الأجهزة التي تخزن المعلومات باستخدام المواد العازلة التي تظهر الخواص الحديدية الكهربائية أو الألكتريت. الخواص الحديدية الكهربائية هي خاصية بعض المواد للحفاظ على حالة تقطيرها حتى بعد إزالة المجال الكهربائي الخارجي. الألكتريت هي مواد لها شحنة كهربائية دائمة أو لحظة ثنائية قطب. تستخدم أجهزة الذاكرة لتخزين البيانات في الكمبيوترات، والهواتف المحمولة، والكاميرات، وغيرها.
