العازل الكهربائي هي مادة تقاوم تدفق التيار الكهربائي. المادة العازلة لها ذرات مع إلكترون تكافؤ مرتبط. تستخدم هذه المواد في أجزاء من الأدوات الكهربائية، وتهدف إلى دعم أوفصل الموصلات الكهربائية من دون حتى يمر من خلالها التيار. بعض المواد مثل الزجاج، الورق، التيفلون تعد عوازل جيدة جداً. كما حتى عدداً أكبر من المواد مثل المركبات الكيميائية الشبيهة بالمطاط ومعظم اللدائن تعد أيضاً عوازل لا بأس بها، فبإمكانها العزل في الأسلاك الكهربائية، على الرغم من أنها قد تحتوي على مقاومة أضعف. هذه المواد بإمكانها حتى تستخدم كعوازل عملية وآمنة للفولتيات الضعيفة أوالمعتدلة.

العازل المثالي لا يتواجد، لأن العوازل تحتوي على أعداد صغيرة من الشحنات المتنقلة (حامل الشحنة) حيث يمكنه ان يحمل التيار . وبالإضافة إلى ذلك، فإن جميع العوازل تصبح جيدة التوصيل للكهرباء عندما تتعرض لجهد كهربائي عالي وبالتالي تتحرك الإلكترونات مبتعدة عن الذرات . وهذا يطلق عليه جهد الكسر للعازل .بعض المواد مثل الزجاج , الورق والتفلون والذي يحتوي على مقاومة عالية، يتم اعتبارهم عوازل كهربائية جيدة جدا. وهناك فئة أكبر بكثير من المواد، على الرغم من أنها قد تكون أقل مقاومة ، إلا أنها لا تزال جيدة بما فيه الكفاية لمنع التيار الكبير من التدفق في الفولتية المستخدمة عادة، وبالتالي يعملون كعازل للأسلاك والكابلات الكهربائية. ومن الأمثلة على ذلك المطاط كالبوليمرات ومعظم المواد البلاستيكية .

تستخدم العوازل في المعدات الكهربائية لدعم وعزل الموصلات الكهربائية بدون السماح لمرور التيار الكهربائي خلالهم. والمادة العازلة هي التي تستخدم بكميات كبيرة للف الأسلاك الكهربائية أوأي معدة أخرى تسمى العزل . وتستخدم حدثة العازل أيضا للإشارة إلى العوازل المساعدة التي تستخدم في خطوط نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية والتي تتصل بأبراج النقل . كما أنها تدعم وزن الأسلاك المعلقة دون السماح لتدفق التيار من خلال البرج إلى الأرض.

فيزياء التوصيل في المواد الصلبة

العزل الكهربائي هومرادف لغياب التوصيلية الكهربائية . نظرية النطاق الإلكتروني (فرع في الفيزياء) تقول بأن الشحنة تتدفق إذا كانت الظروف متاحة لإثارة الإلكترونات . وهذا يمنح الإلكترونات الطاقة وبالتالي الحركة داخل الموصل مثل أي معدن. وإذا كانت الظروف غير متاحة، فإن المادة تصبح عازلة .

معظم العوازل تحتوي على فجوة نطاق كبيرة. وهذا يحدث بسبب نطاق التكافؤ المحتوي على أعلى طاقة للإلكترونات , وينفصل النطاق عن النطاق الذي يليه بواسطة فجوة طاقة كبيرة. وهناك دائما بعض الجهد الكهربائي ( يسمى جهد الكسر ) والذي يعطى للإلكترونات طاقة كافية لتثار داخل هذا النطاق. وبمجرد تجاوز الجهد الحد المسموح لإن المادة تتوقف عن كونها عازل وتسمح للشحنة بالمرور خلالها. ويرافق ذلك عادة بعض التغيرات الفيزيائية والكيميائية التي تؤدي إلى تدهور خصائص عزل المواد بشكل دائم.

المواد التي تفتقر للتوصيل الكهربائي هي عوازل حيث تفتقر أيضا للشحنات المتنقلة. على سبيل المثال، إذا احتوى سائل أوغاز على أيونات، فإن الأيونات تتدفق كتيار كهربائي , وتصبح المادة موصل . تحتوي البلازما واللإلكتروليت على أيونات وبالتالي تتصرف كمواد موصلة بغض النظر عن تدفق الإلكترونات أم لا.

جهد الكسر

عند التعرض لجهد عالي كاف، فإن العوازل تعاني من ظاهرة الكسر الكهربائي . عندما يتجاوز المجال الكهربائي الموجود بمادة عازلة في أي مكان بها مجال الكسر الأدنى، فإن العازل يتحول بطريقة مفاجئة إلى موصل، مسببا زيادة كبيرة في التيار , وقوس كهربائي خلال المادة. يحدث الكسر الكهربائي عندماقد يكون المجال الكهربائي داخل المادة قوي كفاية لتسريع حاملات الشحنات الحرة (إلكترونات وأيونات والتي دائما تكون بهجريزات منخفضة ) لسرعة عالية كفاية لضرب الإلكترونات من الذرات وتأيين الذرات . وهذه الإلكترونات والأيونات تقوم بضرب الذرات , وخلق حاملات شحنات أكثر، في التفاعل المتسلسل . وبسرعة يصبح العازل مملوء بعدد كبير من حاملات الشحنة , وتصبح المقاومة ذات قيمة منخفضة. في المواد الصلبة , يتناسب جهد الكسر طرديا مع طاقة فجوة النطاق. الهواء في المنطقة حول الموصل ذا الجهد العالي يستطيع حتى ينكسر ويتأين بدون الحاجة إلى زيادة التيار , ويطلق على ذلك تفريغ الكورونا. ولكن إذا امتدت منطقة كسر الهواء إلى موصل آخر بجهد مختلف فإنها تقوم بإنشاء ممر توصيلي بينهم، ويتدفق تيار كهربائي كبير خلال الهواء , محدثا قوس كهربائي . حتى الفراغ يمكن حتى يعاني من نوع من الكسر , ولكن في هذه الحالة فإن الكسر أوقوس الفراغ يضم طرد الشحنات من سطح الأقطاب المعدنية بدلا من التي ينتجها الفراغ نفسه. في حالة بعض العوازل ، يمكن حتى يحدث التوصيل تحت درجة حرارة عالية جدا في ذلك الحين الطاقة التي حصلت عليها إلكترونات التكافؤ كافية لنقلهم إلى نطاق التوصيل.

الإستخدامات

غالبا ما تكون هناك طبقة طلاء مرنة جدا من عازل ما على الأسلاك الكهربائية والكابلات، وهذا ما يسمى سلك معزول . وحيث حتى الهواء عازل، فمن حيث المبدأ ليس هناك حاجة إلى مادة أخرى للحفاظ على الطاقة كما هي. خطوط الكهرباء عالية الجهد عادة ما تستخدم الهواء فقط، حيث حتى طلاء المواد الصلبة (مثل البلاستيك) غير عملي. ومع ذلك، الأسلاك التي تلامس بعضها البعض تنتج توصيلات متقاطعة , دوائر قصر ومخاطر الحرائق. في الكابل المحوري , مركز الموصل يجب حتىقد يكون مدعوم بالضبط في منتصفه لمنع حدوث انعكاس الموجات. وأخيرا , الأسلاك التي تحمل جهد كهربائي أعلى من 60 فولت يمكن حتى تسبب صدمة كهربائية للإنسان ومخاطر توصيلية أخرى. طلاء العوازل يساعد في منع جميع هذه المشاكل.

بعض الأسلاكقد يكون لها غطاء ميكانيكي بدون تصنيف للجهد , مثل اللحام , جرس الباب وسلك ترموستات. السلك أوالكابل المعزولقد يكون لديه تصنيف للجهد وحد أقصى لدرجة حرارة موصل . وقد لا تحتوي على تصنيف سعة نقل التيار , حيث حتى هذا يعتمد على البيئة المحيطة (درجة الحرارة المحيطة) .

في أنظمة الإلكترونيات , تصنع لوحة الدارات المطبوعة من البلاستيك أوالألياف الزجاجية . حيث حتى اللوحات تدعم طبقات الموصل النحاسية. في الأجهزة الإلكترونية، هي جزء لا يتجزأ من مكونات نشطة صغيرة وحساسة مصنوعة من البلاستيك الإيبوكسي أوالزجاج أوطلاء السيراميك .

في المكونات الإلكترونية الدقيقة مثل الترانزستورات، مادة السيليكون هي عادة موصل بسبب المنشطات، ولكن يمكن بسهولة حتى تتحول بشكل تلقائي إلى عازل جيد بواسطة تطبيق الحرارة والأكسجين . السليكون المتأكسد هوالكوارتز , مثل ثاني أكسيد السليكون المكون الأساسي للزجاج .

في أنظمة الجهد العالي التي تحتوي على محولات ومكثفات , فإن زيت العازل السائل هوالكيفية التقليدية لمنع حدوث قوس كهربائي . حيث يستبدل الهواء بالزيت في الأماكن التي تحتوي على جهد كهربائي عالي بدون حدوث كسر. ومن المواد الأخرى المستخدمة في عزل الجهد العالي خزف أوالأسلاك الزجاجية , الغاز , الفراغ والأسلاك البسيطة التي توضع بعيدا بما فيه الكفاية لاستخدام عزل الهواء .

عوازل نقل الطاقة الكهربائية

الموصلات المستخدمة في الخطوط الجوية لنقل الطاقة الكهربائية ذات الجهد العالي تكون عارية , ومعزولة بواسطة الهواء المحيط بها. والموصلات ذات الجهود المنخفضة المستخدمة في التوزيع قد يحدث لها بعض العزل ولكن غالبا ما تكون عارية أيضا. تسمى أجزاء دعم العزل بالعوازل وتكون مطلوبة في النقاط التي يتم دعمها من قبل أعمدة الكهرباء أوأبراج نقل الطاقة الكهربائية .والعوازل تكون مطلوبة أيضا عند دخول الخطوط لمبنى أوجهاز كهربائي، مثل المحولات أوقاطع التيار، لعزل السلك. وتسمى هذه الموصلات ذات العوازل بالجلبة الكهربائية .

المادة

العوازل المستخدمة في خطوط نقل الطاقة الكهربائية ذات الجهد العالي تصنع من الزجاج , بورسلين أومادة مؤلفة . العوازل المصنوعة من البورسلين تصنع من الطين ، الكوارتز أوالألومينا والفلسبار , ويتم تغطيتهم بالزجاج الناعم للحماية من الماء . العوازل المصنوعة من البورسلين تكون غنية بالألومينا والتي لها قوة ميكانيكية عالية. البورسلين لديه قوة عازلة حوالي 4-10 كيلوفولت / مم.الزجاج لديه قوة عزل أعلى، ولكن لأنه يجذب التكثيف والأشكال غير النظامية سميكة اللازمة للعوازل من الصعب استخدامها دون مشاكلها الداخلية. بعض الشركات المصنعة للعوازل توقفت عن صناعة العوازل الزجاجية في أواخر 1960، وتحولت إلى صناعة المواد الخزفية.

مؤخرا، بدأت بعض شركات الكهرباء التحويل إلى مواد البوليمر المركب لبعض أنواع العوازل. وعادة ما تتألف هذه من قضيب مركزي مصنوع من ألياف البلاستيك المقوى ووصلة خارجية مصنوعة من مطاط السيليكون أومطاط الإيثيلين بروبيلين ( EPDM ) . العوازل المركبة هي أقل تكلفة، أخف وزنا، ولها قدرة ممتازة. هذا المزيج يجعل منها مثالية للخدمة في المناطق الملوثة. ومع ذلك، هذه المواد لا تملك حتى الآن العمر الافتراضي على المدى الطويل على عكس الزجاج والبورسلين .

التصميم

الكسر الكهربائي لموصل بسبب تعرضه لجهد عالي يمكن حتى يحدث بأحد طريقتين:

• قوس ثقب كهربائي هوكسر وانهيار لمادة العازل , مما يسبب في حدوث القوس الكهربائي من خلال المناطق الداخلية للعازل . الحرارة الناتجة عن القوس غالبا تسبب أضرار للعازل لا يمكن إصلاحها. الجهد المبذول هوالجهد على العازل ( عند هجريبه بطريقة سليمة ) والذي يتسبب بحدوث قوس ثقب كهربائي .
• قوس الوميض العابر هوحدوث كسر وتوصيل للهواء المحيط بالعازل , ويتسبب بحدوث قوس كهربائي خارج العازل .ويكونوا مصممين عادة لتحمل الضرر الناتج. جهد الوميض هوالجهد الذي يتسبب بحدوث قوس وميضي عابر .

تصمم العوازل عالية الجهد بحيثقد يكون لها جهد وميضي منخفض، بحيث تضئ قبل حدوث القوس وبالتالي يتم تجنب الضرر.

الأوساخ، التلوث ، الملح ، وخاصة المياه على سطح عازل الجهد العالي يمكن حتى تخلق مسار موصل عبرها، مما يتسبب في تسرب التيارات . يمكن تخفيض الجهد الوميضي بنسبة 50 % عندماقد يكون العازل مبلل. تتشكل عوازل الجهد العالي المستخدمة في الهواءالطلق لتحقيق أقصى قدر من طول مسار التسرب على طول السطح من نهاية واحدة إلى أخرى، ويدعى طول الزحف، للحد من تشرب هذه التيارات . ولتحقيق ذلك يتم تعديل السطح إلى سلسلة من التموجات أوالأشكال ذات الأقراص متحدة المركز. عادة ما تتضمن هذه واحدة أوأكثر من الأسقف التي تعمل كحماية للأجزاء الخارجية للعازل حتى لا يتبلل. والحد الأدنى للمسافة تكون 20 – 25 مم / كيلوفولت , ولكن يجب حتى تزداد عند التعرض لتلوث مرتفع أوالمناطق البحرية ذات الملوحة العالية.

أنواع العوازل

هذه هي الأنواع الشائعة للعوازل :

العوازل المسمارية

إن تصميم هذا النوع من العوازل لتثبيت موصلات الخط قديم جدا وهوتعبير عن بترتين من العازل ومسمار التسرب على سطح العازل , ولزيادة طول مسار التسرب يتم عمل مظلة (تجويف) أمطار واحدة أواثنين أوثلاثة بالعازل .

تتم قلوظة العازل المسماري ويتم ربطه بواسطة مسامير من الحديد المجلفن، تزداد سمك المادة المطلوبة لأغراض العزل عند الجهد العالي ,ولذلك نستخدم أجزاء متعددة من من العازل المسماري عند الجهود العالية باستخدام الأسمنت البورتلاندي .

عوازل التعليق

مع زيادة الجهد يصبح العازل المسماري ثقيلا ومعقدا في الهجريب وتزداد تكلفته وايضاقد يكون تغيير البتر التالفة مكلفا جدا، لذلك العازل المسماري غير اقتصادي للجهود العالية . فعند الجهود العالية نستخدم عوازل التعليق ويربط عدد منها على التوالي برابط معدني لتكوين سلسلة وتعلق موصلات الخط الكهربائي في نهاية سلسلة العوازل .

عوازل الإجهاد

عند طرف نهاية الخطوط الكهربائية أووجود دورانات للخط أومنحنى حاد للخط الكهربائي أواجتياز الخط الكهربائي لنهر ما أوما شابه، يتعرض الخط لإجهاد ميكانيكي عالي جدا. ففى الجهود المنخفضة يمكن استعمال عوازل القيد أوالبكرة أما في خطوط الجهد العالي فنستخدم عوازل الإجهاد والتي تتكون من عوازل تعليق وهي تعبير عن خطين أوتلاتة من عوازل التعليق متوازيين ومرتبطين ببعضهما.

عوازل الدعم

في الجهود المنخفضة , تعزل شدات الأسلاك عن الأرض على ازدياد أكبر من 13 مترا عن الأرض , ويسمي العازل المستخدم في سلك الشد عازل الدعم من البورسلين ويصمم بحيث أنه في حالة انهيار العازل لا يسقط سلك التثبيت على الأرض .

عازل نفاذ

تمكن أحد أوعدة موصلات من المرور خلال قسم مثل جدار أودبابة ، ويتم عزل الموصلات بواسطته.

عوازل البكرة والعقد

تستخدم عادة في خطوط التوزيع الكهربائية ذات الجهود المنخفضة وتستخدم مثل هذه العوازل في الوضع الأفقي أوالوضع الرأسي وتثبت الموصلات الكهربائية للخط الكهربائي في تجويف العازل بمساعدة سلك ناعم مرن.

انظر أيضا

• عازل كهربائي
• جهد الانهيار
• جلبة كهربائية
• موصل كهربائي
• الجهد الكهربائي العالي
• أبراج النقل
• قوس كهربائي
• خط نقل كهرباء
• مقاومية

المصادر