ثابت العزل الكهربائي والمادة العلوية

مقدمة

سنغطي أساسيات الخواص العازلة والمواد العليا. لنتعرف على كيفية تخزين هذه المواد للطاقة الكهربائية والتعامل معها.

ما هي وكيف تعمل

ثابت العزل الكهربائي هو رقم يشير إلى قدرة المادة على تخزين الطاقة الكهربائية. وهو مقياس لسماحية المادة بالنسبة إلى الفراغ. وكلما زاد الثابت، زادت الطاقة التي تخزنها المادة. وكلما قلّ الثابت، قلّت الطاقة التي تخزنها. هذه الخاصية مهمة في تصميم المكثفات والمواد العازلة. فهي تساعد في اختيار المادة المناسبة لاستخدام كهربائي معين.

العوامل المؤثرة على ثابت العزل الكهربائي

تؤثر بعض العوامل على ثابت العزل الكهربائي. وتعد درجة الحرارة أحد هذه العوامل. يمكن أن يؤدي تغير درجة الحرارة إلى تغيير التركيب الجزيئي. كما يعد التردد عاملاً آخر. يمكن للشوائب الموجودة في المادة تعديل الثابت الذي يتم قياسه. كما يعد التركيب الفيزيائي وعملية الإنتاج من العوامل أيضًا. يجب أخذ كل ذلك في الاعتبار عند اختيار مادة للتطبيقات الكهربائية.

ثابت العزل الكهربائي وأنواع المواد

تنقسم المواد إلى عدة أنواع بناءً على خصائصها العازلة. نرى نطاقًا من الثوابت العازلة العالية إلى المنخفضة. وهي مركبات أو بوليمرات في بعض الحالات أو سيراميك في حالات أخرى. أما المعادن فلها خواص أخرى ولن يتم تطبيقها عادةً لهذه الوظيفة. وعند المقارنة بين عدة أنواع، يكون لدى المهندسين القدرة على اختيار أفضل المواد لتخزين الطاقة والعزل.

المواد ذات الثابت العازل الكهربائي العالي

يمكن أن تكون المواد ذات ثابت العزل الكهربائي العالي أكبر بكثير من 100 في بعض التطبيقات. وتشمل الأمثلة على هذه المواد تيتانات الباريوم وت يتانات زركونات الرصاص، والتي تُستخدم في أجهزة الاستشعار والمكثفات. فهي ممتازة في تخزين الطاقة. وقدرتها على تخزين الشحنات تجعلها مفيدة في العديد من الأجهزة عالية الأداء. ولهذه المواد تطبيقاتها في الإلكترونيات المتقدمة حيث تكون المساحة عاملاً مهمًا وهناك ضرورة لتخزين الطاقة بكفاءة.

المواد ذات الثابت العازل الكهربائي المنخفض

تتراوح قيم ثابت العزل الكهربائي المنخفض بين 2 و3. وتندرج المواد البلاستيكية والبوليمرات تحت هذه الفئة في الغالب. ويتم استخدامها في عزل الكابلات ولوحات الدوائر المطبوعة. وتساعد هذه المواد في الحد من فقدان الطاقة غير المرغوب فيه بالإضافة إلى تقليل التداخل. وتتميز بانخفاض تخزين الطاقة وثباتها، مما يجعلها مثالية لغالبية العوازل الكهربائية. وتُستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات الاستهلاكية وكذلك في الأسلاك في المنازل.

التفريغ

الفراغ هو منطقة لا تحتوي على أي مادة. ثابت العزل الكهربائي الخاص به هو 1 دائمًا، وهو مرجع لجميع المواد الأخرى. تبدأ القياسات المعملية دائمًا بمقارنة مادة ما بالفراغ. ويعطي الفراغ مرجعًا ثابتًا لا يتأثر بدرجة الحرارة أو النقاء. وهو مفهوم أساسي في فهم الثوابت العازلة.

تطبيقات المواد العازلة

تجد المواد العازلة تطبيقات في مجال واسع من التكنولوجيا اليومية. تعتمد المكثفات في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة التلفاز على ثابت العازل الكهربائي المناسب لتعمل بشكل أفضل. كما تعتمد كابلات الجهد العالي على عوازل مصنوعة من هذه المواد. ويستخدمها المهندسون والمصممون لجعل أنظمة الطاقة أكثر كفاءة وتقليل فقد الطاقة. يمكن أن يكون ثابت العزل الكهربائي المناسب مسألة ذات أهمية كبيرة في المستشعرات والمشغلات. ويضمن الاختيار الصحيح للمواد سلامة واستقرار وموثوقية الدوائر الكهربائية.

الخلاصة

يعد ثابت العزل الكهربائي عاملاً حاسماً في عمل المواد الكهربائية. فهو يحدد مدى قدرة المادة على تخزين الطاقة الكهربائية وتوزيعها. تتمتع المواد المثلى بمجموعة من الخواص العازلة. ويفضل استخدام المواد ذات ثابت العزل الكهربائي العالي عندما تكون هناك حاجة إلى تخزين طاقة عالية. ويتم اختيار المواد ذات ثابت العزل الكهربائي المنخفض من أجل العزل والحد الأدنى من فقدان الطاقة. حتى الفراغ يستخدم كمرجع عالمي. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

س: ما هو ثابت العزل الكهربائي؟

س: هو عامل لمقدار الطاقة الكهربائية المخزنة في مادة ما بالنسبة للفراغ.

و: ما أهمية المواد ذات ثابت العزل الكهربائي العالي؟

س: تُستخدم في المكثفات وأجهزة الاستشعار لتخزين الطاقة العالية والأداء الجيد.

و: كيف يمكن أن تُغيِّر درجة الحرارة ثابت العزل الكهربائي؟

س: يتغيَّر التركيب الجزيئي بسبب درجة الحرارة، وهو ما قد يزيد أو يُقلِّل من ثابت العزل الكهربي.

المرجع:

[1] أزادمنجيري، جلال، جلال، وبيرندت، كريستوفر، ووانج، جيمس، وكابور، أجاي، وسريفاستافا، ف. وين، كوي. (2014). مراجعة للمواد النانوية النانوية الهجينة المصنعة بتقنيات الترسيب لتطبيقات تخزين الطاقة. Journal of Materials Chemistry A. 2. 10.1039/C3TA14034B.