الفرق بين الموصل والعازل - Conductor vs Insulator

تعريف الموصل – Conductor:

الموصلات هي المواد التي تسمح بمرور التيار الكهربائي أو للحرارة في بعض الأحيان من خلالها ومن ثمّ أصبحت موصلة للكهرباء بطبيعتها، ناهيك عن أنّ المواد المصنوعة أساسًا من المعادن هي أفضل الموصلات المتاحة على العكس من ذلك، فإنّ الجرافيت هو المعدن الوحيد غير المعدني الذي يمكنه توصيل الكهرباء، في الموصلات يمكن للإلكترونات الحرة أن تتحرك بحرية في أي مكان داخل مادة موصلة. لماذا؟ بسبب وجود تداخل بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل للمادة. نتيجةً لذلك، لا توجد فجوة ممنوعة بين طبقات التركيب الذري للموصلات.

شرح الموصل:

فقط لأنّ الموصلات لها موصلية عالية جدًا، فهي تتمتع بمقاومة منخفضة جدًا. بعبارة أخرى، نظرًا لانخفاض المقاومة، يمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية داخل الموصل، بالطبع، عند تطبيق فرق جهد عبرها. بعبارات بسيطة، يتم تعريف الموصل الكهربائي على أنّه مواد تسمح للكهرباء بالتدفق من خلالها بسهولة. تُعرف خاصية الموصلات التي تسمح لها بتوصيل الكهرباء “بالتوصيل”. يُعرف تدفق الإلكترونات في الموصل “بالتيار الكهربائي”. تُعرف القوة المطلوبة لجعل هذا التيار يتدفق عبر الموصل “بالجهد”.

عندما يتم نقل شحنة إلى مثل هذا العنصر، يتم توزيعها عبر سطح الجسم بالكامل، ممّا يؤدي إلى حركة الإلكترونات في الجسم. توزع الشحنات المنقولة إلى موصل كهربائي حتى تنخفض قوة التنافر بين الإلكترونات في مناطق الإلكترونات الزائدة إلى أدنى قيمة. عندما يتم توصيل مثل هذا الكائن بموصل آخر، يتم نقل الشحنة من الموصل الأول إلى الآخر حتى يتم تقليل التنافر الكلي بسبب الشحن إلى الحد الأدنى. المعادن والبشر والأرض كلها موصلات. هذا هو سبب تعرضنا لصدمات كهربائية.

خصائص الموصل:

هناك العديد من خصائص الموصلات ومع ذلك في حالة التوازن يظهر الموصل الكهربائي الخصائص التالية:

• لديه مقاومة منخفضة وموصلية عالية.

• المجال الكهربائي داخل كل من الموصلات والعوازل هو صفر.

• الروابط التساهمية ضعيفة، لذلك يمكن كسرها بسهولة.

• يمكن أن تختلف مقاومة الموصلات من منخفض إلى مرتفع.

• دائمًا ما يكون معامل درجة الحرارة لمقاومة الموصل موجبًا.

• كثافة الشحنة داخل الموصل تساوي دائمًا صفرًا.

أنواع الموصلات:

كما ذكرنا سابقاً، يمكن أن تختلف مقاومة الموصل من منخفض إلى مرتفع، بناءً على تعريف الموصل نظرًا لمقاومته، يمكن تقسيمها إلى فئتين وهما:

• مواد مقاومة منخفضة/ عالية التوصيل.

• مواد مقاومة عالية/ منخفضة التوصيل.

أمثلة على الموصلات:

الجرافيت وجسم الإنسان والأرض موصلات جيدة للكهرباء، تتضمن بعض أمثلة الموصلات الشائعة معادن مثل:

النحاس (Copper)، الذهب (Gold)، الحديد (Iron)، الألمنيوم (Aluminum)، الصلب (Steel)، الزئبق (Mercury)، البرونز (Bronze)، البلاتين (Platinum).

تطبيقات الموصلات:

الموصلات مفيدة جدًا في حياتنا اليومية وبمعنى آخر يمكنك رؤية الكثير من التطبيقات الواقعية للموصلات من حولك. فيما يلي قائمة بالموصلات الأكثر استخدامًا:

• يستخدم النحاس بشكل شائع في صناعة الأجهزة الكهربائية مثل لف المحركات والكابلات وما إلى ذلك.

• يستخدم الزئبق كمادة موصلة في ميزان الحرارة.

• تستخدم الفضة في صناعة الأقمار الصناعية.

• أسلاك الألمنيوم لنقل وتوزيع الطاقة.

• رقائق ألمنيوم لتخزين الطعام.

تعريف العازل – Insulator:

العوازل هي مواد تعيق التدفق الحر للإلكترونات من جسيم عنصر إلى آخر. إذا قمنا بتحويل قدر من الشحنة إلى مثل هذا العنصر في أي وقت، فإنّ الشحنة تظل في الموقع الأولي ولا يتم توزيعها عبر السطح. تتضمن العملية الشائعة لشحن هذه العناصر الشحن عن طريق الفرك (rubbing)، “بالنسبة لبعض العناصر، بمساعدة المواد المناسبة” والشحن عن طريق الحثّ (induction).

شرح العازل:

العوازل هي مواد لا تسمح بمرور الحرارة أو الكهرباء من خلالها ناهيك عن أنّ التيار الكهربائي لا يتدفق عبر عازل، لماذا؟ لأنّه لا توجد مادة يمكن أن تكون عازلًا مثاليًا. على عكس الموصلات فإنّ المواد المصنوعة أساسًا من اللافلزات هي أفضل العوازل المتاحة. في العوازل، لا تستطيع الإلكترونات الحرة التحرك بحرية في أي مكان داخل مادة عازلة، لماذا؟ لأنّه لا يوجد تداخل بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل للمادة. ونتيجةً لذلك هناك فجوة كبيرة ممنوعة بين طبقات التركيب الذري للعوازل.

فقط لأنّ العوازل لديها موصلية منخفضة جدًا “لا تذكر” فإنّها تتمتع بمقاومة عالية جدًا بعبارة أخرى، نظرًا للمقاومة العالية والفجوة الكبيرة الممنوعة، لا يمكن للإلكترونات أبدًا التحرك بحرية داخل العازل على العكس من ذلك، إذا تمّ تطبيق فرق الجهد لجهد كبير بما فيه الكفاية عبر العازل، فيمكن للمجال الكهربائي المطبق أن يمزق الإلكترونات من ذرات العازل ومن ثمّ يصبح العازل موصلًا. تُعرف خاصية العازل هذه “بجهد انهيار العازل”.

خصائص العازل:

هناك العديد من خصائص العوازل ومع ذلك في حالة التوازن تظهر المادة العازلة الخصائص التالية:

• لديهم مقاومة عالية وموصلية منخفضة.

• المجال الكهربائي داخل كل من الموصلات والعوازل هو صفر.

• الروابط التساهمية قوية، لذلك من الصعب كسرها.

• لديهم مقاومة عالية.

• معامل درجة حرارة مقاومة العازل سالب.

• عند جهد الانهيار، يمكن أن يصبح العازل موصلًا.

أمثلة على العوازل:

العوازل ليست سوى حاجز أو طبقة بين الموصلات للسيطرة على التيار الكهربائي، ما هي المواد التي تعتبر عوازل جيدة؟ فيما يلي بعض الأمثلة الشائعة للعوازل:

البلاستيك (Plastic)، الخشب (Wood)، الزجاج (Glass)، الزيت (Oil)، الهواء (Air)، الألياف الزجاجية (Fiberglass)، الكوارتز (Quartz)، الماس (Diamond).

تطبيقات العوازل:

هناك العديد من تطبيقات العوازل في حياتنا اليومية. في الواقع ستجد استخدامات العوازل في منزلك أيضًا. فيما يلي قائمة بالعوازل الأكثر استخدامًا:

• المطاط هو مادة العزل الشائعة المستخدمة في صنع الأحذية وإطارات السيارات أو الملابس المقاومة للحريق وغيرها.

• (PVC ،Kapton ،Teflon) وغيرها لتوفير طبقة واقية للأسلاك الكهربائية.

• الألياف الزجاجية أو البلاستيك لصنع لوحات الدوائر المطبوعة.

الاختلافات بين الموصلات والعوازل:

نحن نفرق بين العناصر من حولنا بناءً على خصائصها الفيزيائية مثل القابلية للتطويع، الطور، الملمس، اللون، القطبية، والذوبان وما إلى ذلك، ولكن كما نعلم، يتم إجراء تصنيف آخر مهم جدًا للعناصر على أساس توصيلها للشحنة الكهربائية، أي الموصلات والعوازل.

إذا أجرينا تجربة بسيطة باستخدام بطارية ومصباح (LED) صغير، فسنلاحظ أنّه عند اكتمال الدائرة الكهربائية بين البطارية والمصباح باستخدام خيط بلاستيكي أو قطن فإنّ المصباح لا يتوهج. في حين أننّا إذا أجرينا نفس التجربة بمساعدة سلك معدني مثل النحاس فإنّ المصباح يبدأ في التوهج. يشير هذا إلى أنّ بعض العناصر تمكن من نقل الشحن من البطارية إلى المصابيح، بينما لا يقوم البعض الآخر بذلك. أساس تصنيف هذه العناصر هو توصيلها الكهربائي.

جدول المقارنة بين الموصلات والعوازل: