مواد عایق

از نظر رفتار الکتروستاتیکی مواد را به دو دسته بزرگ تقسیم می‌کنند. این دو دسته بزرگ شامل مواد عایق و اجسام رسانا هستند. رساناها مانند فلزات ، موادی هستند که تعداد بسیار زیادی حامل بار اساسا آزاد دارند. این حاملهای بار می‌توانند آزادانه در سرتاسر جسم رسانا حرکت کنند.

دی الکتریکها یا مواد عایق دسته دیگری از مواد هستند که در آنها تمام ذرات باردار به نحوی نسبتا محکم به مولکولهای تشکیل دهنده مواد مقید هستند. این ذرات باردار ممکن است تحت تاثیر میدان الکتریکی اندکی جابجا شوند، اما از مجاورت مولکولهایی که به آنها مقیدند، دور نمی‌شوند. به بیان دیگر ، این تعریف فقط در مورد یک ماده عایق کامل یا ایده‌آل ، یعنی دی الکتریکی که در حضور میدان الکتریکی خارجی به هیچ وجه رسانایی از خود نشان ندهد، صادق است. اما مواد عایق واقعی اندکی رسانایی از خود نشان می‌دهند.

قدرت دی الکتریک

فرض کنید که یک ماده عایق تحت تاثیر یک پتانسیل ثابت قرار دارد. حال اگر مقدار پتانسیل را اندک اندک افزایش دهیم، زمانی فرا می‌رسد که ماده دیگر عایق بودن خود را از دست داده و یه یک جسم رسانا تبدیل می‌شود. بر این اساس مقدار میدان الکتریکی را که در بالاتر از آن ماده عایق تبدیل به رسانا می‌شود، قدرت دی الکتریکی آن عایق می‌گویند.

مواد نیمه رسانا

گفتیم که از نظر الکتریکی مواد مختلف به دو دسته عایق و رسانا تقسیم می‌شوند، اما خواص الکتریکی برخی از مواد در حد فاصل میان رساناها و دی الکتریکها قرار دارد. این دسته از مواد را اصطلاحا نیمه رسانا می‌گویند. رفتار این مواد در یک میدان الکتریکی ایستا خیلی به رفتار اجسام رسانا شبیه است، اما پاسخ گذرای آنها از پاسخ رساناها اندکی کندتر است. برای این مواد مدت بیشتری طول می‌کشد تا در یک میدان الکتریکی ایستا به حالت تعادل برسند.

مواد عایق قطبیده

ماده عایق یا دی الکتریک ایده‌آل آن است که بار آزاد نداشته باشد. با وجود این محیطهای دی الکتریکی ، از مولکولها و مولکولها نیز به نوبه خود از ذرات بارداری (هسته‌های اتمی و الکترونها) تشکیل شده‌اند، بنابراین مولکولهای دی الکتریک یقینا تحت تاثیر میدانهای الکتریکی قرار می‌گیرند. میدان الکتریکی سبب می‌شود که نیرویی به هر ذره باردار وارد شود، ذرات با بار مثبت در جهت میدان رانده می‌شوند و ذرات با بار منفی در جهت مخالف آن، به گونه‌ای که قسمتهای مثبت و منفی هر مولکول از مواضع حالت تعادل خود خارج و در دو جهت مخالف جابجا می‌شوند.

مقدار جابجایی فوق به دلیل ایجاد نیروهای قوی بازگرداننده‌ای که در اثر تغییر پیکربندی مولکولها بوجود می‌آیند، محدود است. تاثیر کلی از لحاظ ماکروسکوپی را می‌توان این طور تجسم کرد که تمامی بار مثبت دی الکتریک نسبت به بار منفی آن جابجا شده است. در این صورت اصطلاحا گفته می‌شود که ماده دی الکتریک قطبیده شده است.

 

قطبش مواد عایق

مواد عایق روی هم رفته از لحاظ الکتریکی خنثی هستند، اما هرگاه ماده دی الکتریک قطبیده شود، در این صورت جدایی بارهای مثبت و منفی تحقق پیدا می‌کند. به هر مولکول ماده دی الکتریک کمیتی به نام گشتاور دو قطبی الکتریکی نسبت می‌دهند و چون هر ماده از تعداد زیادی مولکول تشکیل شده است، بنابراین گشتاور دوقطبی الکتریکی واحد حجم ماده قطبش نامیده می‌شود. قطبش کمیت فوق‌العاده مهمی است که برای محاسبه میدان الکتریکی حاصل از مواد عایق بسیار مهم است.

کاربرد مواد عایق به عنوان دی الکتریک در خازنها

دو رسانا که بتوانند بارهای مساوی و مختلف‌العلامه را در خود ذخیره کنند و اختلاف پتانسیل میان آنها به باردار بودن سایر رساناهای دیگر دستگاه بستگی نداشته باشد، به عنوان خازن معروف هستند. معمولا میان دو صفحه خازن ماده دی الکتریک قرار می‌دهند. قرار دادن ماده دی الکتریک بین صفحات خازن سه اثر دارد:

• اول اینکه مسئله مکانیکی جدا نگاه داشتن دو صفحه نازک فلزی با فاصله بسیار کم ، بی آنکه با هم تماس حاصل کنند، حل می‌شود.
  
  
• دوم اینکه هر جسم دی الکتریک وقتی در میدان نسبتا قوی قرار گیرد، دستخوش فرو ریزش دی الکتریکی می‌شود که به معنی یونیده شدن نسبی و عامل ایجاد نوعی رسانایی است که در یک عایق ایجاد می‌شود. بسیاری از عایقها می‌توانند میدان الکتریکی قویتر از آنچه را که باعث فروریزی هوا می‌شود، تحمل کنند، بی آنکه خود فرو ریزند.
  
  
• نکته آخر اینکه ظرفیت خازنی با ابعاد معین ، با قرار دادن لایه دی الکتریک بین صفحات آن ، نسبت به موقعی که بین صفحات هوا یا خلا است، افزایش می‌یابد. این اثر عملا با یک الکترومتر حساس (وسیله‌ای که اختلاف پتانسیل بین دو صفحه خازن را بدون تغییر بار آن اندازه می‌گیرد) قابل مشاهده است.