ما هو تيار الإزاحة؟
تيار الإزاحة: هو تحول محدود للمكونات الكهربائية يحدث داخل عازل عندما يتم تطبيق الجهد عليه أو إزالته منه (كما هو الحال في شحن أو تفريغ مكثف)، والذي يتوافق مع التيار الكهربائي في الدائرة التي تزود الجهد. التيار الكهربائي هو عبارة عن تيار التوصيل، هناك نوع آخر من التيار يسمى “تيار الإزاحة”، لا يظهر من الحركة الحقيقية للشحنة الكهربائية كما هو الحال بالنسبة لتيار التوصيل أو التيار الكهربائي.
تيار الإزاحة هو كمية تظهر في معادلات ماكسويل، يتم تعريف تعريف تيار الإزاحة من حيث معدل التغيير في مجال الإزاحة الكهربائية والتي يرمز لها بالرمز (D).
ما الفرق بين تيار الإزاحة و تيار التوصيل؟
تيار الإزاحة، في الكهرومغناطيسية، ظاهرة مشابهة للتيار الكهربائي العادي، يُفترض أن تفسر المجالات المغناطيسية التي تنتج عن تغيير المجالات الكهربائية. التيارات الكهربائية العادية، التي تسمى “تيارات التوصيل”، سواء كانت ثابتة أو متغيرة، تنتج مجالاً مغناطيسياً مصاحباً بالقرب من التيار.
تنبأ الفيزيائي البريطاني “جيمس كليرك ماكسويل” في القرن التاسع عشر أنّ المجال المغناطيسي يجب أن يرتبط أيضاً بمجال كهربائي متغير حتى في غياب تيار التوصيل، وهي نظرية تم التحقق منها لاحقاً تجريبياً. نظراً لأنّ المجالات المغناطيسية ارتبطت منذ فترة طويلة بالتيارات، فقد كان يُعتقد أيضاً أنّ المجال المغناطيسي المتوقع ينبع من نوع آخر من التيار. أعطاها “ماكسويل” اسم تيار الإزاحة، والذي كان متناسباً مع معدل تغير المجال الكهربائي الذي استمر في الظهور بشكل طبيعي في صيغته النظرية.
نظراً لأنّ الشحنات الكهربائية لا تتدفق عبر العزل من إحدى لوحات المكثف إلى الأخرى، فلا يوجد تيار توصيل، بدلاً من ذلك، يُقال أنّ تيار الإزاحة موجود لتفسير استمرارية التأثيرات المغناطيسية. في الواقع، الحجم المحسوب لتيار الإزاحة بين ألواح المكثف المشحون وتفريغه في دائرة التيار المتردد يساوي حجم تيار التوصيل في الأسلاك المؤدية من وإلى المكثف. تلعب تيارات الإزاحة دوراً مركزياً في انتشار الإشعاع الكهرومغناطيسي، مثل موجات الضوء والراديو، عبر الفضاء الفارغ (empty space).
يرتبط المجال المغناطيسي المتنقل والمتنوع في كل مكان بمجال كهربائي متغير دورياً يمكن تصوره من حيث تيار الإزاحة. لذلك، أتاحت رؤية “ماكسويل” لتيار الإزاحة فهم الموجات الكهرومغناطيسية على أنّها تنتشر عبر الفضاء منفصلة تماماً عن التيارات الكهربائية في الموصلات.
تيار الإزاحة في المكثف:
في المكثف، يوجد دائماً تيار إزاحة ولا يوجد تيار توصيل (التيار الكهربائي العادي) مطلقاً، في ظل الظروف العادية (أي أنّك تقوم بتطبيق فرق جهد عبره يكون أقل من الحد الأقصى المحدد للجهد). تيارات التوصيل تتكون عندما تتحرك الإلكترونات بالفعل، ولكن في تيار الإزاحة، لا توجد ناقلات للشحنة، إنّها فقط الاختلافات في المجال الكهربائي، والتي يُتصور أنّها مكافئة للتيار.
يتكون المكثف من مادة عازلة (dielectric) محصورة بين موصلين. والعوازل يمكن أن تحمل مجالاً كهربائياً فقط وليس ناقلات شحنة متحركة. ومع ذلك، إذا قمت بتطبيق جهد هائل عبر مكثف، فإنّه يتصرف بشكل مختلف. في ظل الاختلافات المحتملة الكبيرة بما فيه الكفاية، تتوقف العديد من العوازل عن العزل. أي توصيل الكهرباء. لذلك إذا قمت بتطبيق جهد كبير فوق الحد المحدد، فإنّ العازل يتصرف كموصل.
إذن تحصل على تيار توصيل في المكثف. يحدث هذا تماماً مثل صاعقة البرق، عندما يصبح فرق الجهد بين السحب والأرض كبيراً جداً، بحيث يُجبر الغلاف الجوي على التوصيل ويضرب البرق الكهربائي الأرض. وهذا ما يسمى بتفكيك المكثف.
عندما ينهار المكثف، فإنّه لا يحمل تيار إزاحة. لأنّه الآن أصبح موصلاً. لذا، تماماً مثل أي موصل آخر، فإنّ المجال الكهربائي بداخله يساوي صفراً، وكذلك تيار الإزاحة. في هذه الأيام، تحصل على مكثفات مضغوطة للغاية. نظراً لذلك، ينهار عازلها بسهولة. على سبيل المثال، يتم تصنيع العديد من المكثفات الصغيرة اليوم لتعمل بشكل صحيح حتى (60) فولت فقط، وبعد ذلك يحدث انهيارها.
تيار الإزاحة في المكثف رياضيا:
عندما يبدأ مكثف في الشحن، لا يوجد توصيل للشحن بين الألواح. ومع ذلك، بسبب التغيير في تراكم الشحنة مع مرور الوقت فوق الألواح، يتغير المجال الكهربائي مما يتسبب في تيار الإزاحة على النحو التالي:
(I D = J D . S = S (∂D / ∂t
حيث:
S – هي مساحة لوحة المكثف.
I D – هو تيار الإزاحة.
J D – هو كثافة تيار الإزاحة.
D – ترتبط بالمجال الكهربائي E بالصيغة (D = ε E).
ε – هي سماحية الوسط بين الصفائح في المكثف.
معادلة تيار الإزاحة:
تيار الإزاحة له نفس الوحدة والتأثير على المجال المغناطيسي كما هو الحال بالنسبة لتيار التوصيل الذي تصوره معادلة ماكسويل:
∇ × H = J + JD
حيث:
H – يرتبط بالمجال المغناطيسي (B) بمعادلة (B = μ . H).
μ – هي نفاذية الوسط بين الصفائح.
J – هي كثافة تيار التوصيل.
JD – هو كثافة تيار الإزاحة.
نحن نعلم أنّ:
H)=0 × ∇). ∇
∇ . J = – ( ∂p / ∂t ) = – ∇ . (∂D / ∂t )
وباستخدام قانون غاوس:
∇ . D = p
حيث:
ρ – هي كثافة الشحنة الكهربائية.
وبالتالي، فإنّ:
JD = ∂D / ∂t
كثافة تيار الإزاحة ضروري لموازنة (RHS) مع (LHS) في المعادلة.
