عایق الکتریکی: ماده‌ای که مانع حرکت آزاد بارهای الکتریکی می‌شود.

به زبانی ساده، عایق الکتریکی ماده‌ای است که در برابر عبور جریان برق مقاومت بسیار بالایی از خود نشان می‌دهد . درون این مواد، الکترون‌ها به شدت به هسته اتم‌های خود چسبیده‌اند و به راحتی نمی‌توانند آزادانه حرکت کنند . این ویژگی درست برعکس رساناها مانند مس و نقره است که الکترون‌های آزاد زیادی دارند و به راحتی جریان را از خود عبور می‌دهند . برای درک بهتر، می‌توان رسانا را به یک لوله باز و عایق را به یک لوله بسته تشبیه کرد که مانع از عبور آب (جریان الکتریکی) می‌شود .

نکته مهم این است که عایق کامل و ایده‌آل وجود ندارد. حتی بهترین عایق‌ها نیز تعداد بسیار کمی الکترون آزاد دارند. اگر ولتاژ اعمال شده به یک عایق به اندازه کافی زیاد باشد، می‌تواند این الکترون‌ها را از اتم‌ها جدا کرده و باعث شود عایق به طور موقت خاصیت خود را از دست بدهد و به رسانا تبدیل شود. به این پدیده، شکست الکتریکی می‌گویند .

یک عایق الکتریکی خوب باید دارای ویژگی‌هایی مانند مقاومت الکتریکی بسیار بالا، استحکام مکانیکی کافی، مقاومت در برابر حرارت و رطوبت و گاهی اوقات انعطاف‌پذیری باشد . عایق‌ها را بر اساس جنس و شکل آن‌ها دسته‌بندی می‌کنند :

بر اساس جنس عایق‌ها به دو دسته آلی (مانند پلاستیک، لاستیک، کاغذ) و معدنی (مانند شیشه، سرامیک، میکا) تقسیم می‌شوند.

بر اساس شکل فیزیکی عایق‌ها به سه دسته جامد (متداول‌ترین نوع)، مایع (روغن ترانسفورماتور) و گاز (هوا، گاز هگزا فلوراید گوگرد) تقسیم می‌شوند .

برای مقایسه بهتر انواع عایق‌های جامد، به جدول زیر توجه کنید:

شاید مهم‌ترین کاربرد عایق‌ها، ایجاد ایمنی است. پوشش پلاستیکی دور سیم‌های شارژر گوشی یا سیم‌های برق داخل دیوار، نمونه‌ای از این کاربرد است که از برق‌گرفتگی جلوگیری می‌کند . در خطوط انتقال نیرو، مقره‌های سرامیکی یا شیشه‌ای مانع از رسیدن جریان فشار قوی به دکل‌های فلزی می‌شوند . در ترانسفورماتورها، از روغن‌های مخصوص هم به عنوان عایق و هم به عنوان خنک‌کننده استفاده می‌گردد .

یک مثال عینی دیگر در خانه‌های قدیمی، کلید و پریزهای برق هستند. بدنه این کلیدها و پریزها از پلاستیک ساخته می‌شود تا اگر دست شما خیس هم باشد، با لمس آن دچار شوک الکتریکی نشوید. همچنین در موتورهای الکتریکی و ژنراتورها، لایه‌های نازکی از عایق‌های مخصوص بین سیم‌پیچ‌ها قرار می‌گیرد تا از اتصال کوتاه آن‌ها به یکدیگر یا به بدنه فلزی موتور جلوگیری کند .

عایق‌ها در طول زمان و تحت تأثیر عوامل مختلف ممکن است کیفیت خود را از دست بدهند. مهم‌ترین عواملی که به عایق‌ها آسیب می‌زنند عبارتند از :

• تنش‌های مکانیکی: ضربه، خم شدن بیش از حد، لرزش و سایش می‌تواند باعث ترک خوردن یا پارگی عایق شود.
• عوامل محیطی: رطوبت، مواد شیمیایی خورنده، اشعه ماوراء بنفش خورشید و آلودگی‌های صنعتی به مرور زمان ساختار عایق را تخریب می‌کنند .
• تنش‌های حرارتی: گرمای بیش از حد ناشی از عبور جریان یا دمای بالای محیط می‌تواند عایق را ذوب کرده یا خاصیت آن را کاهش دهد.
• ولتاژ زیاد (اضافه ولتاژ): همانطور که گفته شد، اعمال ولتاژی بیش از حد تحمل عایق (ولتاژ شکست) باعث تخریب آنی و غیرقابل بازگشت آن می‌شود .

به همین دلیل، مهندسان به طور دوره‌ای با دستگاه‌های مخصوصی به نام میگر یا تستر عایق، مقاومت عایقی تجهیزات را اندازه‌گیری می‌کنند تا از سلامت آن‌ها مطمئن شوند .

❓ چرا با اینکه هوا یک عایق است، در هنگام رعد و برق، جریان برق از هوا عبور کرده و به زمین می‌خورد؟

هوا یک عایق است، اما یک عایق ایده‌آل نیست. در هنگام رعد و برق، اختلاف پتانسیل بسیار زیادی (میلیون‌ها ولت) بین ابر و زمین ایجاد می‌شود. این ولتاژ فوق‌العاده بالا از ولتاژ شکست هوا بیشتر است. بنابراین، میدان الکتریکی قوی، مولکول‌های هوا را یونیزه کرده و راهی برای عبور جریان عظیم برق ایجاد می‌کند که به شکل صاعقه دیده می‌شود .

❓ اگر عایق‌ها مانع عبور جریان می‌شوند، پس نقش ماده دی‌الکتریک داخل خازن چیست؟

این یک پرسش عالی است. ماده دی‌الکتریک نیز یک عایق است، اما وظیفه اصلی آن در خازن، ذخیره انرژی الکتریکی است. هنگامی که دی‌الکتریک در معرض میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، مولکول‌های آن قطبی شده و میدانی در خلاف جهت میدان اصلی ایجاد می‌کنند. این پدیده باعث کاهش ولتاژ کلی شده و در نتیجه خازن می‌تواند بار الکتریکی بیشتری را در خود ذخیره کند. به عبارت دیگر، دی‌الکتریک ظرفیت خازن را افزایش می‌دهد .

❓ چگونه می‌توان فهمید یک عایق الکتریکی در یک وسیله برقی سالم است؟

ساده‌ترین راه، مشاهده ظاهری است: آیا عایق ترک خورده، ذوب شده یا شکننده شده است؟ اما روش دقیق‌تر، استفاده از دستگاه میگر است. این دستگاه ولتاژ مشخصی (معمولاً 500 یا 1000 ولت) به عایق اعمال کرده و مقدار مقاومت آن را بر حسب مگااهم ($M\Omega$) نمایش می‌دهد. اگر مقاومت اندازه‌گیری شده از حد استاندارد تعیین شده پایین‌تر باشد، یعنی عایق آسیب دیده است و باید تعویض شود .

عایق‌های الکتریکی مواد ضروری در دنیای مدرن هستند که با ایجاد مانع در برابر جریان برق، ایمنی افراد و تجهیزات را تضمین می‌کنند. این مواد با داشتن مقاومت الکتریکی بالا، از رساناها متمایز می‌شوند و انواع گوناگونی از جمله جامد، مایع و گاز دارند. عایق‌ها تحت تأثیر عواملی مانند رطوبت، حرارت و ولتاژ زیاد ممکن است تخریب شوند و عملکرد خود را از دست بدهند. بنابراین، شناخت ویژگی‌ها و بازرسی دوره‌ای آن‌ها برای حفظ کارایی و ایمنی سیستم‌های الکتریکی حیاتی است.

¹ ولتاژ شکست (Breakdown Voltage): حداقل ولتاژی که اگر به یک ماده عایق اعمال شود، باعث می‌شود آن ماده خاصیت عایقی خود را از دست داده و به طور موقت به رسانا تبدیل شود .

² مقاومت ویژه الکتریکی (Electrical Resistivity): یک ویژگی ذاتی هر ماده که نشان‌دهنده میزان مقاومت آن در برابر جریان الکتریکی است. یکای آن اهم-متر ($\Omega \cdot m$) است .

³ دی‌الکتریک (Dielectric): یک نوع عایق الکتریکی است که قابلیت قطبی‌شدن در میدان الکتریکی را دارد و عمدتاً در خازن‌ها برای افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی بار به کار می‌رود .

⁴ میگر (Megger): دستگاهی برای اندازه‌گیری مقاومت عایقی تجهیزات الکتریکی که با اعمال ولتاژ بالا (معمولاً 500 تا 5000 ولت) میزان مقاومت را بر حسب مگااهم ($M\Omega$) نشان می‌دهد .