عایقهای الکتریکی: سدهایی در برابر عبور الکترونها
تفاوت اصلی: هادی2 در مقابل نارسانا3
برای درک مفهوم عایق، ابتدا باید بدانیم جریان برق چیست. جریان برق در واقع حرکت الکترونهای آزاد است. الکترون ذرهی بسیار ریزی با بار منفی است که به دور هستهی اتم میچرخد. در برخی مواد (هادیها) الکترونهای لایهی آخر اتم به راحتی میتوانند از اتمی به اتم دیگر بپرند و جریان ایجاد کنند. اما در مواد دیگر (عایقها) این الکترونها محکم به هستهی اتم چسبیدهاند و نمیتوانند آزادانه حرکت کنند.
تصور کنید دو کلاس درس داریم: در کلاس هادی، دانشآموزان (الکترونها) آزادانه در راهرو حرکت میکنند و میتوانند از کلاسی به کلاس دیگر بروند. اما در کلاس عایق، همهی دانشآموزان به صندلیهای خود بسته شدهاند و امکان حرکت ندارند!
انواع و دستهبندی عایقهای پرکاربرد
عایقها را میتوان بر اساس جنس، حالت فیزیکی یا کاربرد دستهبندی کرد. در جدول زیر برخی از رایجترین عایقها و ویژگیهای آنها آورده شده است.
| نوع عایق | مثالهای ملموس | کاربردهای اصلی | مقاومت نسبی |
|---|---|---|---|
| عایقهای پلیمری (پلاستیکی) | روکش سیمها، دستهی پیچگوشتی، بدنهی پریز، کلید برق | پوشش سیمها، دستهی ابزار، محفظهی وسایل برقی | خیلی بالا |
| عایقهای سرامیکی | چینی جداکننده دکلهای برق، بدنهی فیوز، سرامیک شمع خودرو | محیطهای با دمای بالا و فشار مکانیکی | خیلی بالا |
| عایقهای گازی | هوای خشک، گاز SF6 در پستهای برق | فاصلهی بین سیمهای هوایی، کلیدهای فشارقوی | متغیر (وابسته به رطوبت) |
| عایقهای مایع | روغن ترانسفورماتور، روغن موجود در کلیدهای فشارقوی | خنکسازی و عایقبندی ترانسفورماتورها و کابلهای زیرزمینی | بالا |
عایقبندی در عمل: از سیم کشی خانه تا دکلهای انتقال
کاربرد عایق فقط محدود به جلوگیری از برقگرفتگی نیست. بیایید چند مثال عملی را بررسی کنیم:
۱. سیمهای برق: اگر به سیمهای داخل خانه یا شارژر تلفن همراه دقت کنید، یک رشتهی فلزی (هادی از جنس مس یا آلومینیوم) را میبینید که توسط یک لایه پلاستیکی (عایق) احاطه شده است. این لایهی پلاستیکی باعث میشود شما با تماس دست به سیم، دچار برقگرفتگی نشوید و همچنین از اتصال کوتاه5 بین دو سیم جلوگیری میکند.
۲. دکلهای برق فشار قوی: سیمهای حامل برق بر روی دکلهای بلند توسط قطعاتی به نام مقره6 (Isolator) نگه داشته میشوند. این مقرهها که اغلب از جنس چینی یا سرامیک هستند، دو کار مهم انجام میدهند: اول، سیم را به صورت مکانیکی محکم نگه میدارند. دوم، با عایقبندی بین سیم (که دارای ولتاژ بسیار بالا است) و دکل فلزی (که در زمین قرار دارد)، از عبور جریان به زمین و هدر رفتن انرژی جلوگیری میکنند.
۳. بردهای الکترونیکی: داخل رادیو، تلویزیون یا مادربرد کامپیوتر، یک صفحهی سبز رنگ (برد مدارچاپی) میبینید. این صفحه از جنس فایبرگلاس است که یک عایق خوب محسوب میشود. مسیرهای مسی بر روی این صفحه حک شدهاند و عایق بودنِ خودِ صفحه، مانع از اتصال ناخواستهی این مسیرها به یکدیگر میشود.
پرسشهای مهم و باورهای نادرست
پاسخ: خیر. خاصیت عایقی مواد میتواند تحت شرایطی تغییر کند. مهمترین این شرایط ولتاژ بسیار بالا و افزایش دما است. مثلاً هوای خشک یک عایق نسبتاً خوب است، اما اگر ولتاژ بین دو نقطه آنقدر زیاد شود (مثلاً هنگام رعد و برق)، هوا یونیزه شده و به یک مسیر هادی تبدیل میشود. همچنین، گرم کردن برخی پلاستیکها میتواند ساختار مولکولی آنها را تغییر داده و خاصیت عایقی آنها را کاهش دهد.
پاسخ: آب مقطر خالص تقریباً عایق است زیرا ناخالصیهای رسانا ندارد. اما آبی که ما استفاده میکنیم (آب لولهکشی، آب باران) حامل نمکها و مواد معدنی است که در آن حل شدهاند. این ناخالصیها، یونهای آزاد ایجاد میکنند و آب را به یک هادی نسبتاً خوب تبدیل مینمایند. در حمام، بدن خیس، کف پوش مرطوب و بخار آب، همه باعث میشوند مسیرهای هدایت متعددی بین بدن شما و زمین ایجاد شود. در این شرایط حتی اگر وسیلهی برقی دارای عایق ضعیف یا کوچک باشد، جریان به راحتی از بدن عبور کرده و خطر برقگرفتگی به شدت افزایش مییابد. به همین دلیل پریزهای برق در نزدیکی سینک یا وان نصب نمیشوند.
پاسخ: نه دقیقاً. عایقهای ایدهآل وجود ندارند. حتی بهترین عایقها نیز اگر ولتاژ کافی به آنها اعمال شود، مقدار بسیار بسیار ناچیزی جریان (جریان نشتی) از خود عبور میدهند. اما این جریان در شرایط عادی و ولتاژهای معمول خانگی آنقدر کم است که در محاسبات و ایمنی صفر در نظر گرفته میشود. هدف مهندسان و طراحان، انتخاب عایقی است که این جریان نشتی را در بدترین شرایط به حداقل ممکن برساند.
پاورقی
۱. عایق (Insulator): مادهای با مقاومت الکتریکی بسیار بالا که جریان برق را بهسختی از خود عبور میدهد.
۲. هادی (Conductor): مادهای که به دلیل داشتن الکترونهای آزاد، جریان برق را به راحتی از خود عبور میدهد. مانند مس و آلومینیوم.
۳. نارسانا (Non-conductor): واژهای دیگر برای عایق.
۴. مقاومت الکتریکی (Electrical Resistance): میزان مخالفت یک ماده با عبور جریان الکتریکی. واحد آن اهم (Ω) است.
۵. اتصال کوتاه (Short Circuit): اتصال ناخواستهای با مقاومت بسیار کم بین دو نقطه از مدار که باعث جریان بسیار زیاد و خطر آتشسوزی میشود.
۶. مقره (Electrical Insulator یا Isolator): قطعهای عایق که در خطوط انتقال برق برای نگهداری و جداسازی هادیهای تحت ولتاژ از پایهها و سازهها استفاده میشود.
