المواد الموصلة والمواد العازلة

ما هي المواد الموصلة؟

هي مواد تسمح للإلكترونات بالتدفق بحرية من جسيم إلى آخر، حيث سيسمح الجسم المصنوع من مادة موصلة للشحنة بأن تنتقل عبر سطح الجسم بالكامل، وإذا تم نقل الشحنة إلى الكائن في موقع معين، يتم توزيع هذه الشحنة بسرعة عبر سطح الكائن بالكامل، وتوزيع الشحنة هو نتيجة حركة الإلكترون.

نظرًا لأن الموصلات تسمح بنقل الإلكترونات من جسيم إلى جسيم آخر، فإن الجسم المشحون سوف يوزع شحنته دائمًا حتى يتم تقليل قوى التنافر الكلية بين الإلكترونات الزائدة، وإذا تم لمس موصل مشحون بجسم آخر، فيمكن للموصل نقل شحنته إلى هذا الكائن، ويحدث نقل الشحنة بين الأشياء بسهولة أكبر إذا كان الجسم الثاني مصنوعًا من مادة موصلة، وتسمح الموصلات بنقل الشحنة من خلال الحركة الحرة للإلكترونات.

ما هي المواد العازلة؟

يمكن تعريف العازل على أنه أي من المواد المختلفة التي تمنع أو تؤخر تدفق التيارات الكهربائية أو الحرارية، وعلى الرغم من أن العازل الكهربائي يُنظر إليه عادة على أنه مادة غير موصلة، إلا أنه في الواقع يوصف بشكل أفضل بأنه موصل ضعيف أو مادة ذات مقاومة عالية لتدفق التيار الكهربائي، وتتم مقارنة المواد العازلة والموصلات المختلفة مع بعضها البعض في هذا الصدد عن طريق ثابت مادة يعرف باسم المقاومة.

تُستخدم العوازل الكهربائية لتثبيت الموصلات في موضعها، وفصلها عن بعضها البعض وعن الهياكل المحيطة، حيث إنها تشكل حاجزًا بين الأجزاء النشطة في الدائرة الكهربائية وتحصر تدفق التيار إلى الأسلاك أو المسارات الموصلة الأخرى حسب الرغبة، ويعد عزل الدوائر الكهربائية مطلبًا ضروريًا للتشغيل الناجح لجميع الأجهزة الكهربائية والإلكترونية.

يتم استخدام أنواع مختلفة من المواد كعوازل كهربائية، ويتم الاختيار بشكل أساسي على أساس المتطلبات المحددة لكل تطبيق، مثلا يتم عزل الموصلات النحاسية المستخدمة في التمديدات الكهربائية للمنازل والمنشآت الصناعية عن بعضها البعض وعن المبنى بواسطة المطاط أو البلاستيك، ويتم دعم خطوط الطاقة العلوية على عوازل خزفية لا تتأثر بالتعرض الخارجي.

غالبًا ما يتم عزل المولدات والمحركات الكهربائية الكبيرة التي تعمل بجهد كهربائي مرتفع ودرجات حرارة عالية باستخدام الميكا، وفي بعض التطبيقات، يتم استخدام العزل الصلب مع العزل السائل أو الغازي، أما في المحولات عالية الجهد على سبيل المثال، يوفر العزل الصلب صلابة ميكانيكية، بينما يساهم الزيت أو المواد السائلة الأخرى في زيادة قوة العزل ويعمل على إزالة الحرارة من المعدات، في الهياكل المجهرية للدوائر المتكاملة، يمكن استخدام المواد العازلة مثل نيتريد السيليكون بسماكات صغيرة مثل الميكرون.

أنواع المواد العازلة:

تشمل مواد العزل الحراري الألياف الزجاجية والفلين والصوف الصخري، وهو صوف معدني يتم إنتاجه عن طريق نفخ نفاثة من البخار عبر الصخور السيليسية المنصهرة أو الحجر الجيري أو من خلال الخبث، هذه وغيرها من المواد ذات الموصلية الحرارية المنخفضة تؤخر معدل التدفق الحراري، بحيث إنهم يكسرون مسار التدفق الحراري من خلال عتامة الحرارة المشعة وعن طريق تداخل العديد من المساحات الهوائية، ولا تكون الموصلية الحرارية عادة ثابتة لأي مادة ولكنها تختلف باختلاف درجة الحرارة، وتنخفض الموصلية مع زيادة درجة الحرارة في معظم المعادن والمواد الصلبة البلورية الأخرى، ولكنها تزداد في المواد غير المتبلورة مثل الزجاج.

مستويات الطاقة للموصلات والعوازل:

تصنف المواد على أنها موصلات أو عوازل أو أشباه موصلات حسب موصليتها الكهربائية، بحيث يمكن فهم التصنيفات من الناحية الذرية، كما يمكن أن تحتوي الإلكترونات في الذرة على طاقات معينة محددة جيدًا، واعتمادًا على طاقاتها، فإنه سيُقال أن الإلكترونات تشغل مستويات طاقة معينة.

في ذرة نموذجية بها العديد من الإلكترونات، تمتلئ مستويات الطاقة المنخفضة، كل منها بعدد الإلكترونات المسموح به وذلك من خلال قاعدة ميكانيكية كمومية تُعرف باسم مبدأ استبعاد باولي، واعتمادًا على العنصر، فإنه قد يكون أو لا يكون أعلى مستوى طاقة لامتلاك إلكترونات ممتلئًا تمامًا، إذا تم تقريب ذرتين من بعض العناصر معًا بدرجة كافية بحيث تتفاعل، فإن النظام ثنائي الذرة يحتوي على مستويين متقاربين لكل مستوى من مستويات الذرة المفردة.

أما إذا تفاعلت 10 ذرات، فسيحتوي نظام 10 ذرات على مجموعة من 10 مستويات تقابل كل مستوى فردي من ذرة فردية، وفي المادة الصلبة، يكون عدد الذرات وبالتالي عدد المستويات كبيرًا للغاية؛ حيث تتداخل معظم مستويات الطاقة الأعلى بشكل مستمر باستثناء بعض الطاقات التي لا توجد فيها مستويات على الإطلاق، وتسمى مناطق الطاقة ذات المستويات نطاقات الطاقة، كما يشار إلى المناطق التي ليس لها مستويات بفجوات النطاق.

إن أعلى نطاق طاقة تشغله الإلكترونات هو نطاق التكافؤ في الموصل، حيث يتم ملء شريط التكافؤ جزئيًا، وبما أن هناك العديد من المستويات الفارغة، فإن الإلكترونات حرة في التحرك تحت تأثير المجال الكهربائي؛ وهكذا في المعدن، قد يكون نطاق التكافؤ هو أيضًا شريط التوصيل.

أما في عازل، فقد تملأ الإلكترونات نطاق التكافؤ بالكامل؛ والفجوة بينه وبين النطاق التالي، وهو شريط توصيل كبير، كما أنه لا يمكن للإلكترونات أن تتحرك تحت تأثير المجال الكهربائي إلا إذا أعطيت طاقة كافية لعبور فجوة الطاقة الكبيرة إلى نطاق التوصيل.
أما في أشباه الموصلات، فقد تكون الفجوة في نطاق التوصيل أصغر منها في العازل، وفي درجة حرارة الغرفة فإنه يتم ملء شريط التكافؤ بالكامل تقريبًا، كما أن بعض الإلكترونات مفقودة من نطاق التكافؤ؛ نظراً لأنها اكتسبت طاقة حرارية كافية لعبور فجوة النطاق إلى نطاق التوصيل؛ نتيجة لذلك، يمكنهم التحرك تحت تأثير مجال كهربائي خارجي، في حين أن الثقوب المتبقية في شريط التكافؤ هي ناقلات شحن متنقلة ولكنها تتصرف مثل ناقلات الشحنة الموجبة.

بالنسبة للعديد من المواد بما في ذلك المعادن، تميل مقاومة تدفق الشحنة إلى الزيادة مع درجة الحرارة، على سبيل المثال تؤدي زيادة 5 درجات مئوية (9 درجات فهرنهايت) إلى زيادة مقاومة النحاس بنسبة 2 بالمائة، وفي المقابل، فإن مقاومة العوازل وخاصة أشباه الموصلات مثل السيليكون والجرمانيوم تتناقص بسرعة مع درجة الحرارة، حيث تؤدي الطاقة الحرارية المتزايدة إلى ملء بعض الإلكترونات بمستويات في نطاق التوصيل كما أنها تكون متأثرة بمجال كهربائي خارجي، وتطون حرة في الحركة، كما أن فرق الطاقة بين مستويات التكافؤ وشريط التوصيل له تأثير قوي على موصلية هذه المواد، مع وجود فجوة أصغر تؤدي إلى توصيل أعلى في درجات حرارة منخفضة.

المقاومة للمواد الموصلة والعازلة:

تُظهر قيم المقاومة الكهربائية تباينًا كبيرًا للغاية في قدرة المواد المختلفة على توصيل الكهرباء، والسبب الرئيسي للتباين الكبير هو النطاق الواسع في توافر وحركة ناقلات الشحن داخل المواد، على سبيل المثال يحتوي السلك النحاسي على العديد من الناقلات المتنقلة للغاية؛ حيث تحتوي كل ذرة نحاسية على إلكترون حر واحد تقريبًا، وهو شديد الحركة بسبب كتلته الصغيرة.

أما المنحل بالكهرباء مثل محلول الماء المالح، ليس موصلًا جيدًا مثل النحاس، حيث توفر أيونات الصوديوم والكلور في المحلول حاملات الشحنة، كما تزداد الكتلة الكبيرة لكل من أيون الصوديوم والكلور بينما تتجمع الأيونات الأخرى حولها، ونتيجة لذلك يصعب تحريك أيونات الصوديوم والكلور بكثير من حركة الإلكترونات الحرة في النحاس، في حين أن الماء النقي هو أيضًا موصل، على الرغم من أنه فقير لأن جزءًا صغيرًا جدًا من جزيئات الماء ينفصل إلى أيونات.

إن غازات الأكسجين والنيتروجين والأرجون التي تشكل الغلاف الجوي موصلة إلى حد ما؛ نظراً لأن بعض ناقلات الشحنة تتشكل عندما تتأين الغازات بواسطة إشعاع من العناصر المشعة على الأرض، وكذلك من الأشعة الكونية خارج الأرض (نوى ذرية عالية السرعة و الإلكترونات).
هذا وقد يُعرف الرحلان الكهربائي بأنه تطبيق مثير للاهتمام، يعتمد على تنقل الجسيمات العالقة في محلول إلكتروليتي، كما تتحرك الجسيمات المختلفة (البروتينات، على سبيل المثال) في نفس المجال الكهربائي بسرعات مختلفة؛ إذ يمكن استخدام الاختلاف في السرعة لفصل محتويات التعليق.

يسخن التيار المتدفق عبر سلك، وتحدث هذه الظاهرة المألوفة في ملفات التسخين في نطاق كهربائي أو في خيوط التنغستن الساخنة لمصباح كهربائي، وهذا التسخين الأومي هو أساس الصمامات المستخدمة لحماية الدوائر الكهربائية ومنع الحرائق؛ أما إذا تجاوز التيار قيمة معينة، فإن المصهر المصنوع من سبيكة ذات نقطة انصهار منخفضة، يذوب ويقطع تدفق التيار.

تبددت القوة P في مقاومة R يتم من خلالها تدفق التيار p=i²R) i)، حيث P بالواط (واحد واط يساوي جول واحد في الثانية)، وI بالأمبير، و R بالأوم، و وفقًا لقانون أوم، يتم إعطاء فرق الجهد V بين طرفي المقاوم بواسطة V = iR، وبالتالي يمكن التعبير عن القوة P بالتساوي P=IV.