توجد ظواهر مثل القابلية للعزل الكهربائي والسماحية ليس فقط في الفيزياء ، ولكن أيضًا في الحياة اليومية. في هذا الصدد ، من الضروري تحديد معنى هذه الظواهر في العلم وتأثيرها وتطبيقها في الحياة اليومية.
تحديد التوتر
الكثافة هي كمية متجهة في الفيزياء ، يتم حسابها من القوة التي تؤثر على شحنة موجبة واحدة موضوعة في نقطة الحقل قيد الدراسة. بعد وضع العازل في مجال إلكتروستاتيكي خارجي ، فإنه يكتسب عزم ثنائي القطب ، وبعبارة أخرى ، يصبح مستقطبًا. لوصف الاستقطاب كميًا في العازل الكهربائي ، يتم استخدام الاستقطاب - مؤشر فيزيائي متجه محسوب على أنه العزم ثنائي القطب لقيمة حجم العازل.
يخضع متجه الشدة بعد المرور عبر الوجه بين عازلين لتغيرات مفاجئة ، مما يتسبب في حدوث تداخل أثناء حساب المجالات الكهروستاتيكية. في هذا الصدد ، يتم تقديم خاصية إضافية - المتجهالإزاحة الكهربائية.
باستخدام السماحية ، يمكنك معرفة عدد المرات التي يمكن أن يضعف فيها العازل مجالًا خارجيًا. من أجل شرح أكثر منطقية للمجالات الكهروستاتيكية في العوازل الكهربائية ، يتم استخدام متجه الإزاحة الكهربائية.
التعريفات الأساسية
السماحية المطلقة للوسيط هي معامل مضمن في التدوين الرياضي لقانون كولوم ومعادلة العلاقة بين شدة المجال الكهربائي والحث الكهربائي. يمكن تمثيل السماحية المطلقة على أنها ناتج السماحية النسبية للوسط وثابت الكهرباء.
القابلية للعزل الكهربائي ، تسمى قابلية الاستقطاب للمادة ، هي كمية فيزيائية يمكن استقطابها تحت تأثير مجال كهربائي. إنه أيضًا معامل الاتصال الخطي للمجال الكهربائي الخارجي باستقطاب العازل في مجال صغير. تتم كتابة صيغة القابلية للعازل على النحو التالي: X=na.
في معظم الحالات ، يكون للعوازل حساسية إيجابية عازلة ، في حين أن هذه القيمة عديمة الأبعاد.
الكهرباء الحديدية هي ظاهرة فيزيائية موجودة في بلورات معينة ، تسمى ferroelectric ، عند قيم درجة حرارة معينة. يتكون من ظهور استقطاب تلقائي في بلورة حتى بدون مجال كهربائي خارجي. الفرق بين الفيروكهربائية والكهرباء الحرارية هوأنه في درجات حرارة معينة يتغير تعديلها البلوري ، ويختفي الاستقطاب العشوائي.
لا يتصرف الكهربائيون في الميدان مثل الموصلات ، لكنهم يشتركون في خصائص مشتركة. يختلف العازل الكهربائي عن الموصل في حالة عدم وجود ناقلات شحن مجانية. هم هناك ، ولكن بكميات قليلة. في الموصل ، يصبح الإلكترون الذي يتحرك بحرية في الشبكة البلورية للمعدن حامل شحنة مماثل. ومع ذلك ، فإن الإلكترونات الموجودة في العازل الكهربائي مرتبطة بذراتها ولا يمكنها التحرك بسهولة. بعد إدخال العوازل في مجال الكهرباء ، يظهر فيه الكهربة ، مثل الموصل. الفرق من العازل هو أن الإلكترونات لا تتحرك بحرية في جميع أنحاء الحجم ، كما هو الحال في الموصل. ومع ذلك ، تحت تأثير المجال الكهربائي الخارجي ، ينشأ إزاحة طفيفة للشحنات من داخل جزيء المادة: سيتم إزاحة موجبة في اتجاه المجال ، والعكس بالعكس سلبي.
في هذا الصدد ، يكتسب السطح شحنة معينة. يسمى الإجراء الخاص بظهور شحنة على سطح مادة ما تحت تأثير المجالات الكهربائية بالاستقطاب العازل. إذا كانت جميع الجسيمات متماثلة في عازل متجانس وغير قطبي مع تركيز معين للجزيئات ، فسيكون الاستقطاب هو نفسه أيضًا. وفي حالة القابلية للعازل الكهربائي ، ستكون هذه القيمة بلا أبعاد.
الرسوم المربوطة
بسبب عملية الاستقطاب ، تظهر الشحنات غير المعوضة في حجم مادة عازلة تسمى الاستقطاب أو الربط. حبيبات،وجود هذه الشحنات ، الموجودة في شحنات الجزيئات ، وتحت تأثير مجال كهربائي خارجي ، يتم إزاحتها من موضع التوازن دون مغادرة الجزيء الذي توجد فيه.
تتميز الشحنات المقيدة بكثافة السطح. تحدد قابلية العزل ونفاذية الوسيط عدد المرات التي تكون فيها قوة الربط لشحنتين كهربائيتين في الفضاء أقل من نفس المؤشر في الفراغ.
حساسية الهواء النسبية ونفاذية معظم الغازات الأخرى في ظل الظروف القياسية قريبة من الوحدة (بسبب الطائرة الصغيرة). القابلية النسبية للعازل الكهربائي والسماحية في المواد الفيروكهربائية هي عشرات ومئات الآلاف على السطح الفاصل لزوج من العوازل ذات السماحية المطلقة المختلفة وقابلية التأثر للمادة ، وكذلك مكونات القوة العرضية المتساوية بينهما.
من بين العديد من المواقف العملية ، هناك اجتماع مع انتقال التيار من جسم معدني إلى العالم المحيط ، في حين أن الموصلية المحددة للأخير أقل بعدة مرات من موصلية هذا الجسم. يمكن أن تحدث حالات مماثلة ، على سبيل المثال ، أثناء مرور التيار عبر الأقطاب الكهربائية المعدنية المدفونة في الأرض. غالبًا ما يتم استخدام أقطاب كهربائية فولاذية. إذا كانت المهمة هي تحديد قابلية الزجاج للعزل الكهربائي ، فستكون المهمة معقدة نوعًا ما بسبب حقيقة أن هذه المادة لها خاصية استرخاء الأيونات ، والتي بسببهاتأخر
على حدود زوج من العوازل ذات نفاذية مختلفة في وجود مجال خارجي ، تظهر رسوم الاستقطاب بمؤشرات مختلفة ذات كثافة سطحية مختلفة. هذه هي الطريقة التي يتم بها الحصول على حالة جديدة لانكسار خط الحقل أثناء الانتقال من عازل إلى آخر.
يمكن اعتبار قانون الانكسار في حالة الخطوط الحالية في شكله مشابهًا لقانون انكسار خطوط الإزاحة على حافة عازلين في المجالات الكهروستاتيكية.
لكل جسم ومادة في العالم المحيط خصائص كهربائية معينة. والسبب في ذلك يكمن في التركيب الجزيئي والذري - وجود جسيمات مشحونة في حالة مترابطة أو حرة.
إذا لم تتأثر المادة بمجال خارجي ، فعندئذ توجد هذه الأجزاء ، وتوازن بعضها البعض ، في الحجم الكلي الإجمالي ، دون إنشاء مجالات كهربائية إضافية. إذا كان هناك تطبيق للطاقة الكهربائية من الخارج ، فستظهر إعادة توزيع الشحنات داخل الجزيئات والذرات الموجودة ، مما سيؤدي إلى ظهور المجال الداخلي الخاص بها ، والذي سيتم توجيهه نحو الخارج.
عند تعيين الحقل الخارجي المطبق كـ E0 ، والحقل الداخلي E '، فسيكون الحقل E بأكمله هو مجموع هذه القيم.
تنقسم جميع المواد الموجودة في الكهرباء عادة إلى:
- موصلات
- عوازل.
هذا التصنيف موجود منذ فترة طويلة ، لكنه ليس دقيقًا تمامًا ، حيث اكتشف العلم منذ فترة طويلة أجسادًا جديدة أو مجمعةخصائص المادة
الموصلات
حيث يمكن أن تكون المواد الموصلة وسائط بها رسوم مجانية. غالبًا ما تُعتبر المعادن مثل هذه الأمور ، نظرًا لأن بنيتها تشير إلى الوجود المستمر للإلكترونات الحرة التي يمكن أن تتحرك داخل تجويف المادة بأكمله. تتيح لك القابلية العازلة للوسيط أن تكون مشاركًا في العملية الحرارية
إذا كان الموصل معزولًا عن تأثير مجال كهربائي خارجي ، يظهر توازن بداخله بين الشحنات الموجبة والسالبة. تختفي هذه الحالة على الفور عندما يظهر موصل في مجال كهربائي ، والذي يعيد توزيع الجسيمات المشحونة بطاقته ويثير ظهور شحنات غير متوازنة ذات قيمة موجبة وسالبة على السطح الخارجي
تسمى هذه الظاهرة الحث الكهروستاتيكي. الشحنات التي ظهرت تحت تأثيره على سطح المعدن تسمى رسوم الاستقراء
تخلق الشحنات الاستقرائية التي نشأت في الموصل مجالها الخاص ، والذي يعوض عن تأثير المجال الخارجي داخل الموصل. في هذا الصدد ، سيتم تعويض مؤشر إجمالي المجال الكهروستاتيكي ويساوي 0. تتساوى إمكانات كل نقطة في الداخل والخارج.
تشير هذه النتيجة إلى أنه داخل الموصل (حتى مع وجود مجال خارجي متصل) لا يوجد فرق في الجهود ولا مجال إلكتروستاتيكي. تستخدم هذه الحقيقة في التدريع بسبب الاستخدامطريقة الحماية الكهروضوئية للشخص والمعدات الكهربائية الحساسة للحقول ، وخاصة أدوات القياس عالية الدقة وتكنولوجيا المعالجات الدقيقة.
هناك أيضًا علاقة بين السماحية والقابلية للتأثر. ومع ذلك ، يمكن التعبير عنها باستخدام صيغة. لذا فإن العلاقة بين ثابت العزل وحساسية العزل الكهربائي لها الملاحظة التالية: e=1 + X.
مبدأ البيئة والتنمية المستدامة
بمساعدة التدريع ، تُستخدم الملابس والأحذية المصنوعة من مواد ذات خصائص موصلة ، بما في ذلك القبعات ، في قطاع الطاقة لسلامة الأفراد الذين يعملون في ظروف التوتر العالي التي تسببها الأجهزة عالية الجهد. لا يخترق المجال الكهروستاتيكي داخل الموصل ، لأنه عند إدخال الموصل في المجال الكهربائي ، سيتم تعويضه بالحقل الذي ينشأ بسبب حركة الشحنات الحرة.
عوازل
ينتمي هذا الاسم إلى المواد التي لها صفات عازلة. تحتوي على رسوم مترابطة فقط ، وليست مجانية. سيتم ربط كل جسيم موجب فيها بجزيء سالب داخل ذرة بشحنة محايدة مشتركة بدون حركة حرة. يتم توزيعها من داخل العوازل ولا يمكنها تغيير موقعها تحت تأثير المجالات الخارجية. في الوقت نفسه ، لا تزال قابلية المادة العازلة للكهرباء والطاقة الناتجة تستلزم تغييرات معينة في بنية المادة. من داخل الذرة والجزيء ، تتغير النسبةتظهر الشحنات الموجبة والسالبة للجسيم ، والشحنات المترابطة غير المتوازنة الإضافية على سطح المادة ، مما يؤدي إلى إنشاء مجال كهربائي داخلي. وهي موجهة نحو التوتر المطبق من الخارج.
هذه الظاهرة تسمى الاستقطاب العازل. يمكن وصفه بحقيقة أن مجالًا كهربائيًا ينشأ من داخل المادة ، ناتجًا عن تأثير الطاقة الخارجية ، لكنه يضعف بسبب رد فعل المجال الداخلي.
أنواع الاستقطاب
داخل العوازل ، يمكن تمثيلها بنوعين:
- اتجاه ؛
- الكتروني
النوع الأول له أيضًا اسم إضافي - استقطاب ثنائي القطب. هذه الخاصية متأصلة في المواد العازلة ذات المراكز النازحة عند الشحنة الموجبة والسالبة ، والتي تكوِّن جزيئات من ثنائيات أقطاب صغيرة - مزيج محايد من زوج من الشحنات. هذه الظاهرة نموذجية للنيتروجين السائل ، كبريتيد الهيدروجين.
بدون تأثير مجال كهربائي خارجي في هذه المواد ، يتم توجيه ثنائيات الأقطاب الجزيئية بشكل عشوائي تحت تأثير التغيرات الحالية في درجات الحرارة ، عندما لا تظهر الشحنة الكهربائية على السطح الخارجي للعازل.
تتغير هذه الصورة تحت تأثير الطاقة المطبقة من الخارج ، عندما لا تغير ثنائيات الأقطاب اتجاهها كثيرًا وتظهر الشحنات المقيدة العيانية على السطح ، مما يخلق حقلاً مع الاتجاه المعاكس للحقل المطبق من الخارج.
الاستقطاب الإلكتروني ، مرنآلية
تحدث هذه الظاهرة في المواد العازلة غير القطبية - مواد من نوع مختلف مع جزيئات لا يوجد فيها عزم ثنائي القطب ، والتي ، تحت تأثير مجال خارجي ، يتم تشويهها بحيث يتم توجيه الشحنات الموجبة فقط في اتجاه متجه المجال الخارجي ، والشحنات السالبة - في الاتجاه المعاكس
نتيجة لذلك ، يعمل كل جزيء كثنائي أقطاب كهربائي موجه على طول محور المجال الخارجي المطبق. بطريقة مماثلة ، يظهر حقل خاص على السطح الخارجي ، والذي له اتجاه معاكس.
استقطاب عازل غير قطبي
بالنسبة لهذه المواد ، فإن تغيير الجزيئات والاستقطاب اللاحق من تأثير المجال الخارجي لا يعتمد على حركتها تحت تأثير درجة الحرارة. يمكن استخدام الميثان CH4 كعزل كهربائي غير قطبي. ستتغير المؤشرات الرقمية للحقل الداخلي لكلا العوازل في البداية من حيث الحجم بما يتناسب مع التغيير في المجال الخارجي ، وبعد التشبع ، تظهر تأثيرات نوع غير خطي. تظهر عندما يصطف كل ثنائي القطب الجزيئي على طول خطوط القوة بالقرب من العوازل القطبية ، أو تحدث تغيرات في المواد غير القطبية ، بسبب تشوه قوي للذرات والجزيئات من كمية كبيرة من الطاقة المطبقة من الخارج. في الحالات العملية ، يحدث هذا نادرًا جدًا.
ثابت عازل
من بين المواد العازلة ، يتم إعطاء دور جاد للمؤشرات الكهربائية وخاصية مثل ثابت العزل. يتم الحكم على كلاهما من خلال خاصيتين مختلفتين:
- قيمة مطلقة ؛
- مؤشر نسبي.
يشير مصطلح السماحية المطلقة للمادة إلى التدوين الرياضي لقانون كولوم. بمساعدتها ، يتم وصف العلاقة بين متجه الحث والشدة في شكل معامل.
