الدرس: 1-4 العازل الكهربائي

العوازل الكهربائية: هي مواد غير موصلة للكهربائية في الظروف الاعتيادية وتعمل على تغيير مقدار المجال الكهربائي الموضوعة فيه بنسبة ثابت العزل لها.

بما تمتاز المواد العازلة كهربائياً؟

• هي مواد غير موصلة للكهربائية في الظروف الاعتيادية.
• تعمل على تغيير مقدار المجال الكهربائي الموضوعة فيه.

سؤال تصنف المواد العازلة كهربائياً إلى نوعين أذكرهما؟

• العوازل القطبية.
• العوازل غير القطبية.

بماذا تمتاز كل من العوازل القطبية والعوازل غير القطبية؟ أو قارن بين العوازل القطبية والعوازل غير القطبية؟

في أي نوع من أنواع العوازل الكهربائية تظهر شحنات سطحية على وجهيها، ذاكراً العلاقة الرياضية للمجال الكهربائي المتولد من هذه الشحنات؟

العوازل غير القطبية هي التي تظهر شحنة سطحية على وجهيها عند وضعها داخل مجال كهربائي فيكون المجال الكهربائي المحصل وفق العلاقة:

$E_k=E-E_d$

يقل مقدار المجال الكهربائي بين صفيحتي المتسعة عند إدخال مادة عازلة صفيحتيها، علل ذلك؟

بسبب تكون مجال كهربائي (E_d) داخل العازل بعكس اتجاه المجال الخارجي وأقل منه مقداراً يعمل على إضعاف المجال الكهربائي الخارجي بين صفيحتي المتسعة وفق العلاقة ($E_k=E-E_d$) فيقل - مقداره بنسبة ثابت العزل للمادة العازلة.

ما تأثير المجال الكهربائي المنتظم في المواد العازلة القطبية الموضوعة بين صفيحتي متسعة مشحونة؟

عند إدخال هذا النوع من العازل فإن المجال الكهربائي بين صفيحتي المتسعة سيؤثر في الدايبولات الدائمية الموجودة فيه مما يجعل مجالها يصطف بموازاة المجال الكهربائي المؤثر وباتجاه معاكس له فيتولد مجالاً كهربائياً معاكساً للمجال الخارجي المؤثر وأقل مقداراً منه، وبالنتيجة يقل مقدار المجال الكهربائي المحصل بين صفيحتي المتسعة.

ما تأثير المجال الكهربائي المنتظم في المواد العازلة غير القطبية الموضوعة بين صفيحتي متسعة مشحونة؟

يعمل المجال الكهربائي بين صفيحتي المتسعة على إزاحة مركزي الشحنتين الموجية والسالبة في الجزيئة الواحدة بإزاحة ضئيلة فتكتسب بصورة مؤقتة عزوماً كهربائية ثنائية القطب (دايبولات مؤقتة) بطريقة الحث الكهربائي، وبهذا يتحول الجزيء إلى دايبول كهربائي يصطف بموازاة المجال الكهربائي فتظهر شحنة سطحية على وجهي العازل ويصبح العازل مستقطب.

يعطى المجال الكهربائي المحصل (E_k) في كلا العازلين (القطبي وغير القطبي) بالعلاقة الآتية:

$E_k=E-E_d$

حيث أن: E المجال المؤثر بين الصفيحتين، والمجال الكهربائي المستقطب داخل العازل، وبما أن للعازل ثابت عزل مقداره (k) فإن المجال الكهربائي بين الصفيحتين يقل بنسبة (k) أي أن:

$E_k=\frac{E}{k}$

وبما أن فرق الجهد بين صفيحتي المتسعة $\left(\mathrm{\Delta }V\right)$ يتناسب طردياً مع المجـال الكهربائي وفق العلاقة: $E=\frac{\mathrm{\Delta }V}{d}$

نستنتج من ذلك أن فرق الجهد الكهربائي يقل أيضاً بنسبة (k) عند إدخال العازل، أي أن: $\mathrm{\Delta }{V}_k=\frac{\mathrm{\Delta }V}{k}$

$\left(\mathrm{\Delta }V\right)$: هو فرق الجهد بين الصفيحتين في حال فراغ أو الهواء عازلاً بينهما، و$\mathrm{\Delta }{V}_k$ هو فرق الجهد بينهما بوجود العازل ويرمز لمقدار سعة المتسعة بوجود العازل بالرمز c_k (وتكتب بالعلاقة: $C_k=kC$).

سؤال ما المقصود بـ (ثابت العزل الكهربائي) وعلام يعتمد؟ أكتب علاقة رياضية تعبر عنه؟

هو النسبة بين سعة المتسعة بوجود العازل وسعتها بوجود الفراغ أو الهواء، ويعتمد على نوع المادة العازلة.$k=\frac{C_k}{C}$

ملاحظة:

• إذا كانت المتسعة منفصلة عن البطارية فإن الشحنة Q ثابته وفرق الجهد $\left(\mathrm{\Delta }V\right)$ يتغير مع تغير السعة بعد وضع العازل بين صفيحتيها.
• إذا كانت المتسعة متصلة بالبطارية فإن فرق الجهد $\left(\mathrm{\Delta }V\right)$ ثابت والشحنة Q تتغير مع تغير السعة بعد وضع العازل بين صفيحتيها.

أشرح نشاط يوضح فيه تأثير إدخال العازل الكهربائي بين صفيحتي متسعة مشحونة ومفصولة عن البطارية في مقدار فرق الجهد الكهربائي وما تأثيره في سعة المتسعة؟ (تجربة فراداي).

أدوات النشاط:

متسعة ذات صفيحتين متوازيتين (العازل بينهما الهواء) غير مشحونة، بطارية فولطيتها مناسبة، جهاز فولتميتر، أسلاك توصيل، لوح من مادة عازلة كهربائياً (ثابت عزلها k).

خطوات النشاط:

• تربط طرفي البطارية بصفيحتي المتسعة، ستنشحن إحدى الصفيحتين بالشحنة الموجية والأخرى بالشحنة السالبة، كما في الشكل المجاور تفصل البطارية عن الصفيحتين.
• تربط الفولتميتر على طرفي المتسعة، نلاحظ إنحراف مؤشر الفولتميتر على قراءة معينة كما في الشكل المجاور، وهذا يعني تولد فرق جهد $\left(\mathrm{\Delta }V\right)$ بين صفيحتي المتسعة المشحونة في الحالة التي يكون فيها الهواء هو العازل بينهما.
• ندخل اللوح العازل بين صفيحتي المتسعة المشحونة، نلاحظ حصول نقصان في قراءة الفولتميتر، لاحظ الشكل.

نستنتج من النشاط: أن إدخال مادة عازلة كهربائياً بين صفيحتي المتسعة المشحونة يتسبب في:

إنقاص فرق الجهد الكهربائي بينهما بنسبة مقدارها ثابت العزل (k) نتيجة لنقصان المجال الكهربائي، وفقاً للعلاقة الرياضية $.\left(\mathrm{\Delta }{V}_k=\frac{\mathrm{\Delta }V}{k}\right)$

تزداد سعة المتسعة طبقاً للمعادلة $\left(C=\frac{Q}{\mathrm{\Delta }V}\right)$ بثبوت مقدار الشحنة.

ما تأثير إدخال العازل الكهربائي بين صفيحتي متسعة مشحونة؟

(أ) مفصولة عن البطارية (ب) موصولة بالبطارية على كل من:

(1) فرق الجهد الكهربائي بين صفيحتيها.

(2) سعة المتسعة.

(3) الشحنة الكهربائية.

(4) المجال الكهربائي.

(5) الطاقة المختزنة.