عایق: نگهبان نامرئی جریان برق
عایق الکتریکی چیست؟
یک عایق الکتریکی، ماده‌ای است که اجازه نمی‌دهد جریان الکتریکی۴ به راحتی از درون آن بگذرد. برخلاف هادی‌ها۵ مانند فلزات که الکترون‌های آزاد زیادی دارند، الکترون‌ها در عایق‌ها به اتم‌های خود tightly bound (محکم مقید) هستند و نمی‌توانند آزادانه حرکت کنند. به زبان ساده، عایق مانند یک دیوار محکم در برابر حرکت الکترون‌ها عمل می‌کند.
یک مثال ساده: فرض کنید می‌خواهید با یک شلنگ، آب را از نقطه‌ی A به نقطه‌ی B منتقل کنید. اگر شلنگ پاره باشد، آب به اطراف می‌پاشد و به مقصد نمی‌رسد. هادی مانند یک شلنگ سالم است که آب (بار الکتریکی) را به خوبی هدایت می‌کند. عایق مانند همان بخش پاره‌ی شلنگ است که مانع از حرکت کنترل‌شده‌ی آب می‌شود و آن را به اطراف پراکنده می‌کند (یا در مورد برق، اصلاً اجازه‌ی عبور نمی‌دهد).
انواع مواد از نظر رسانایی الکتریکی
مواد را می‌توان بر اساس توانایی آنها در هدایت جریان الکتریکی به سه دسته‌ی کلی تقسیم کرد:
| دسته‌بندی | ویژگی اصلی | مثال‌های متداول | کاربرد اصلی |
|---|---|---|---|
| هادی‌ها | الکترون‌های آزاد زیاد؛ جریان را به آسانی عبور می‌دهند. | مس، طلا، آلومینیوم، آهن | سیم‌ها، کابل‌ها، مدارهای الکتریکی |
| عایق‌ها | الکترون‌های آزاد بسیار کم؛ جریان را به سختی عبور می‌دهند. | شیشه، لاستیک، پلاستیک، چوب خشک، هوا | پوشش سیم‌ها، دسته‌ی ابزار، پایه‌ی تیر برق |
| نیمه‌هادی‌ها۶ | رسانایی بین هادی و عایق؛ قابل کنترل است. | سیلیسیم، ژرمانیوم | تراشه‌های رایانه‌ای، ترانزیستورها، دیودها |
مقاومت الکتریکی: معیار سنجش عایق بودن
برای اینکه بفهمیم یک ماده چقدر خوب یا بد جریان را عبور می‌دهد، از مفهوم مقاومت الکتریکی استفاده می‌کنیم. مقاومت مانند اصطکاک در برابر جریان الکتریکی است. واحد اندازه‌گیری مقاومت، اهم۷ (با نماد $\Omega$) است.
- هادی‌ها: مقاومت بسیار کم دارند (مثلاً یک سیم مسی: حدود 0.0000017 اهم در هر سانتی‌متر).
- عایق‌ها: مقاومت بسیار زیاد دارند (مثلاً یک تکه لاستیک: حدود 1,000,000,000 اهم در هر سانتی‌متر).
مقاومت یک ماده با فرمول ساده‌ای محاسبه می‌شود:
که در آن:
R مقاومت (اهم)،
$\rho$ مقاومت ویژه۸ ماده (اهم در متر)،
l طول ماده (متر)،
A سطح مقطع ماده (متر مربع).
همانطور که از فرمول پیداست، مقاومت یک ماده به جنس آن ($\rho$) بستگی دارد. عایق‌ها مقدار $\rho$ بسیار بزرگی دارند.
دسته‌بندی عایق‌های الکتریکی
عایق‌ها را می‌توان به روش‌های مختلفی دسته‌بندی کرد. یکی از رایج‌ترین روش‌ها، دسته‌بندی بر اساس حالت فیزیکی ماده است:
عایق‌های جامد
این رایج‌ترین نوع عایق هستند که در اطراف ما به وفور دیده می‌شوند.
| نوع عایق جامد | مثال‌ها | کاربردها |
|---|---|---|
| پلیمرهای مصنوعی (پلاستیک‌ها) | پی‌وی‌سی (PVC)۹، پلی‌اتیلن، نایلون | روکش سیم و کابل، پریز برق، بدنه‌ی لوازم خانگی |
| سرامیک‌ها | پرسلین (چینی)، آلومینا | ایزولاتورهای خطوط برق فشارقوی، پایه‌ی شمع خودرو |
| لاستیک‌ها | لاستیک طبیعی، لاستیک سیلیکونی | دسته‌ی انبردست، کفش عایق برق، کابل‌های خاص |
| الیاف و منسوجات | پنبه‌ی آغشته به روغن، پارچه‌ی فایبرگلاس | عایق‌بندی سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور و موتور |
عایق‌های مایع
این عایق‌ها هم نقش خنک‌کنندگی دارند و هم عایقی. روغن ترانسفورماتور یک مثال کلاسیک است که هم از گرمایش بیش از حد سیم‌پیچ‌ها جلوگیری می‌کند و هم به عنوان یک محیط عایق بین بخش‌های دارای ولتاژ مختلف عمل می‌نماید.
عایق‌های گازی
هوای خشک خود یک عایق بسیار خوب است. فاصله‌ی بین سیم‌های خطوط انتقال برق و پایه‌های فلزی تیرهای برق، در واقع از خاصیت عایقی هوا استفاده می‌کند. گاز SF6 (هگزافلوئورید گوگرد) نیز یک عایق گازی قوی است که در کلیدها و قطع‌کننده‌های فشارقوی به کار می‌رود.
عایق‌ها در خدمت ایمنی و فناوری
کاربرد عایق‌ها فقط محدود به جلوگیری از برق‌گرفتگی نیست. آنها در قلب بسیاری از فناوری‌های مدرن حضور دارند:
- سیم‌کشی و کابل‌های برق: روکش پلاستیکی سیم‌ها، مسیر جریان را کنترل کرده و از اتصال کوتاه و برق‌گرفتگی جلوگیری می‌کند.
- بردهای الکترونیکی: صفحه‌ی سبزرنگ زیر قطعات در بردهای الکترونیکی (مدار چاپی) از جنس فیبر فایبرگلاس عایق است که مسیرهای مسی هادی را از یکدیگر جدا می‌کند.
- ابزارهای برقی: دسته‌ی پلاستیکی پیچ‌گوشتی و انبردست، کاربر را در برابر تماس با بخش‌های برقدار محافظت می‌نماید.
- خطوط انتقال نیرو: دیسک‌های چینی بزرگی که سیم‌های فشارقوی را به تیرهای فلزی متصل می‌کنند (ایزولاتورها)، مانع از نشتی جریان به پایه‌ی تیر می‌شوند.
- خازن‌ها: بین دو صفحه‌ی هادی خازن، یک لایه عایق (دی‌الکتریک) قرار دارد که مشخصات الکتریکی خازن را تعیین می‌کند.
محدودیت عایق‌ها: پدیده‌ی شکست عایقی
هر عایق فقط تا یک حد مشخصی از ولتاژ (فشار الکتریکی) را می‌تواند تحمل کند. اگر ولتاژ اعمال شده به یک عایق از یک حد معین بیشتر شود، عایق خاصیت خود را از دست داده و ناگهان به یک هادی تبدیل می‌شود. به این پدیده شکست عایقی می‌گویند.
آذرخش (رعد و برق) یک مثال طبیعی و بزرگ از شکست عایقی است. ابرها بار الکتریکی زیادی جمع می‌کنند و ولتاژ بسیار بالایی ایجاد می‌نمایند. وقتی این ولتاژ از مقاومت عایقی هوا بیشتر شود، هوا یونیزه شده و به یک مسیر هادی تبدیل می‌شود و جرقه‌ی عظیم آذرخش رخ می‌دهد.
در مقیاس کوچک‌تر، اگر به یک سیم معمولی با روکش پی‌وی‌سی، ولتاژ چندین هزار ولت اعمال کنید، روکش پلاستیکی آن ممکن است ذوب شده یا بسوزد و جریان از آن عبور کند.
سوالات متداول درباره عایق‌ها
پاورقی
۱ عایق الکتریکی (Electrical Insulator)
۲ مقاومت الکتریکی (Electrical Resistance)
۳ شکست عایقی (Dielectric Breakdown)
۴ جریان الکتریکی (Electric Current)
۵ هادی‌ها (Conductors)
۶ نیمه‌هادی‌ها (Semiconductors)
۷ اهم (Ohm)
۸ مقاومت ویژه (Resistivity)
۹ پی‌وی‌سی (PVC: Polyvinyl Chloride)