عازل

العازل الكهربائي هو مادة عازلة تفصل بين لوحي أو طبقتي الموصل في المكثف. العوازل هي مواد لا توصل التيار الكهربائي، مثل البلاستيك والزجاج والورق والخشب. وظيفة العازل الكهربائي هي زيادة سعة المكثف، مما يسمح له بتخزين المزيد من الشحنة الكهربائية والطاقة الكامنة.

يعمل المكثف بكفاءة إذا لم تتلامس لوحتاه الموصلتان، فلا تنتقل الشحنة الكهربائية من إحداهما إلى الأخرى. وبالمثل، لمنع انتقال الشحنة الكهربائية من الموصل إلى الهواء، يجب أن يكون الفراغ بين الموصلين خاليًا. في موضوع المكثف ذي اللوحين المتوازيين، نوقشت سعة المكثف ذي اللوحين المتوازيين المفصولين بفراغ. تكون سعة المكثف في الفراغ محدودة، لذا لزيادة السعة، يُوضع عازل كهربائي بين اللوحين.

تزيد المادة العازلة من السعة لأن الجهد الكهربائي بين لوحي الموصل ينخفض

لماذا تزداد سعة المكثف بعد وضع العازل بين لوحيه أو صفيحتيه؟ للإجابة على هذا السؤال، تذكر أولًا درس الشحنة الكهربائية. تتنافر الشحنات الكهربائية المتشابهة، بينما تتجاذب الشحنات الكهربائية المختلفة. على سبيل المثال، تجذب الشحنة الموجبة الشحنة السالبة وتتنافر مع الشحنة الموجبة. فلماذا إذًا تجذب المواد البلاستيكية المشحونة بشحنة سالبة قطعًا صغيرة من الورق غير المشحونة كهربائيًا؟ يحدث هذا لأن قطعة الورق تتعرض للاستقطاب الشحني.

لا تستطيع الإلكترونات في المواد العازلة، كالورق، التحرك بحرية كما في المواد الموصلة. لذا، عند تقريب قطعة بلاستيكية مشحونة بشحنة سالبة من قطعة الورق، تنطلق الإلكترونات المرتبطة بالذرة بعيدًا عن البلاستيك المشحون بشحنة سالبة. ينتج عن ذلك استقطاب بين الشحنة السالبة والشحنة الموجبة على الورق. تكون الشحنة السالبة على الورق أبعد عن البلاستيك، بينما تكون الشحنة الموجبة أقرب إليه. بعد ذلك، تجذب الشحنة السالبة على البلاستيك الشحنة الموجبة على الورق حتى يقترب الورق منه.

تتشابه عملية استقطاب الشحنة التي تحدث على قطع الورق مع عملية استقطاب الشحنة التي تحدث في العازل الكهربائي. وكما هو موضح في الشكل على اليسار، على سبيل المثال، كان هناك في البداية قطعتان فقط من الموصلات المشحونة كهربائيًا. اللوح الأيسر مشحون بشحنة موجبة، بينما اللوح الأيمن مشحون بشحنة سالبة، بحيث يكون اتجاه المجال الكهربائي من اليسار إلى اليمين.

بعد وضع المادة العازلة بين لوحي الموصل، تجذب الشحنة الموجبة على اللوح الأيسر الإلكترونات الموجودة على سطح المادة العازلة المجاور. في المقابل، تدفع الشحنة السالبة على اللوح الأيمن الإلكترونات الموجودة على سطح المادة العازلة المجاور. لا تتحرك الإلكترونات في المادة العازلة، وهي مادة عازلة، بحرية كما هو الحال في الموصل. لذلك، تبقى الإلكترونات مرتبطة بالذرة، ولكن يحدث استقطاب بين الإلكترونات سالبة الشحنة والبروتونات موجبة الشحنة، كما هو موضح في الشكل.

يؤدي وجود شحنة موجبة على الجانب الأيمن من ذرات العازل وشحنة سالبة على الجانب الأيسر إلى نشوء مجال كهربائي. هذا المجال، الذي ينتقل من اليمين إلى اليسار، يُضعف المجال الكهربائي الناتج عن الشحنة الكهربائية على صفيحة الموصل، والذي ينتقل من اليسار إلى اليمين. لذا، لا يتناقص المجال الكهربائي بسبب تناقص الشحنة الكهربائية على صفيحتي الموصل، بل بسبب ظهور مجال كهربائي في العازل في الاتجاه المعاكس. عند إزالة العازل، تعود شدة المجال الكهربائي الناتج عن الشحنة الكهربائية على صفيحتي الموصل إلى وضعها الطبيعي.

If عندما تنخفض شدة المجال الكهربائي الناتج عن الشحنة الكهربائية على لوحي الموصل، ينخفض ​​الجهد الكهربائي بينهما أيضًا. ولأن المجال الكهربائي يتناسب طرديًا مع الجهد الكهربائي، كما هو موضح في المعادلة E = V / d، حيث E = شدة المجال الكهربائي، وV = الجهد الكهربائي، وd = المسافة بين اللوحين، فإذا كان الجهد الكهربائي قبل مرور الشحنة على العازل هو Vo، فإنه بعد مرورها ينخفض ​​إلى V بمعامل K.

رياضياً، Vo = KV أو V = Vo / K أو K = Vo / V، حيث K = ثابت العزل الكهربائي. Vo > V لذا K > 1.

يرجى ملاحظة أن مقدار الشحنة الكهربائية على لوحي أو صفيحتي الموصل لا يتغير، وبالتالي فإن مقدار الشحنة النهائية يساوي مقدار الشحنة الابتدائية (Q = Q₀). ويتم حساب التغير في سعة المكثف بالطريقة التالية:

C = السعة النهائية، Co = السعة الابتدائية، Q = الشحنة النهائية، Qo = الشحنة الابتدائية، V = الجهد النهائي، Vo = الجهد الابتدائي، K = ثابت العزل الكهربائي

بناءً على المعادلة أعلاه، يُستنتج أن السعة الابتدائية (Co) أصغر بينما السعة النهائية (C) أكبر. تزداد السعة بمعامل K، حيث K هو ثابت العزل الكهربائي. تختلف قيمة ثابت العزل الكهربائي لكل مادة عازلة. ثابت العزل الكهربائي (K) هو ناتج نسبة سعة المكثف عند استخدام مادة عازلة إلى سعته عند عدم استخدامها.

تزداد السعة العازلة لأن المسافة بين لوحي الموصل تقل

تتمثل إحدى وظائف العزل الكهربائي الأخرى في تقليل المسافة (d) بين لوحي الموصل. وبالتالي، يزداد المجال الكهربائي (E) والجهد الكهربائي (V) بين اللوحين أو الصفيحتين الموصلتين، كما هو موضح في المعادلة E = V / d. إذا ازداد المجال الكهربائي والجهد الكهربائي بين اللوحين أو الصفيحتين، فإن سعة المكثف تزداد.

إذا كانت المكثفات المعنية موصولة على التوازي، يتم حساب السعة باستخدام الصيغة التالية:

بناءً على الصيغتين أعلاه، يمكن استنتاج أن سعة (C) المكثفات ذات الألواح المتوازية يمكن زيادتها عن طريق تقليل المسافة بين اللوحين أو صفائح الموصل (d).

تزداد السعة العازلة لأن سعة المكثف تزداد

المادة العازلة مصنوعة من مادة عازلة، وإذا تعرضت لمجال كهربائي قوي، فإنها تتلف. يحدث تلف المادة العازلة عندما يكون المجال الكهربائي قويًا لدرجة أنه يُحرك الإلكترونات من الذرة، فتصطدم هذه الإلكترونات بإلكترونات أخرى على ذرات أخرى، مما يؤدي إلى تدفق الإلكترونات داخل المادة العازلة. بعبارة أخرى، يتسبب تلف المادة العازلة في تحويلها من عازلة كهربائية إلى موصلة للكهرباء.

لتجنب التلف، لكل مادة عازلة مصنوعة من مادة عازلة معينة قيمة قصوى للمجال الكهربائي الذي يمكنها تحمله، تُسمى قوة العزل الكهربائي. قوة العزل الكهربائي للمادة العازلة أكبر من قوة العزل الكهربائي للهواء، وتختلف قوة العزل الكهربائي من مادة لأخرى، فبعضها منخفض وبعضها مرتفع. لذا، عند استخدام مادة عازلة ذات قوة عزل كهربائي عالية، يكون المجال الكهربائي الذي يمكنها تحمله أكبر، وكذلك الجهد الكهربائي الذي يمكنها تحمله. وكلما زاد المجال الكهربائي والجهد الكهربائي الناتجين عن لوحي الموصل، زادت كمية الشحنة الكهربائية التي يمكن أن يستوعبها لوح الموصل. وكلما زادت الشحنة داخل لوح الموصل، زادت سعة المكثف.