مواد در میدان الکتریکی

 

در مبحث فیزیک الکترواستاتیک مواد به دو دسته عایق و هادی تقسیم بندی می شوند. تفاوت بین عایق و هادی در حرکت بارها است. در هادی بارهای مستقل آزادانه حرکت می کنند و در عایق بارهای داخلی در محل خود ثابت هستند.

 

هادی ها در میدان الکتریکی

 

زمانی که میدان الکتریکی به یک هادی اعمال می شود بارهای آزاد به نیروی الکتریکی پاسخ می دهند. بارهای مثبت با حرکت در جهت میدان و بارهای منفی با حرکت در جهت خلاف میدان پاسخ می دهند. حرکت بارها داخل هادی یک میدان الکتریکی به وجود می آورد که با میدان اعمالی مخالف است. با حرکت بیشتر بارها شدت میدان داخلی افزایش یافته تا حدی که آن با میدان اعمالی بیرونی برابری کند. در این زمان در تعادل الکترواستاتیکی است و بارها در داخل هادی نیروی صفر را تجربه کرده و میدان الکتریکی در داخل هادی صفر می شود. در تعادل الکترواستاتیکی هیچ میدانی در داخل هادی وجود ندارد. ولی یک میدانی روی سطح وجود دارد که مقدار آن از طریق رابطه زیر محاسبه می شود.

 

عایق در میدان الکتریکی

 

در عایق ها بارها در مولکول ها محدود شده اند. وقتی که یک عایق در یک میدان الکتریکی قرار می گیرد بار ها در هر مولکول شروع به حرکت می کنند. بنابراین تعادل بارهای مثبت و منفی به هم می خورد و مولکول از حالت طبیعی خارج می شود. مرکز ثقل بارهای مثبت و منفی برای هر اتم در یک نقطه است. در صورتی که مرکز ثقل بارهای مثبت و منفی در یک اتم یا به طور کلی در یک جسم بر روی هم قرار نگرفته باشند یک دو قطبی ایجاد می شود. شکل زیر یک جسم دو قطبی را نمایش می دهد.

اگر یک دو قطبی در میدان الکتریکی با شدت E قرار بگیرید به آن گشتاوری وارد می شود که برابر است با حاصل ضرب خارجی بردار گشتاور دو قطبی و شدت میدان الکتریکی. در یک میدان الکتریکی، دو قطبی های موجود تا آنجا که بتوانند بچرخند طوری قرار میگیرند که جهت گشتاور آنها در جهت میدان الکتریکی واقع شود. جهت میدان های الکتریکی داخلی یک دو قطبی، از سمت بارهای مثبت به طرف بار های منفی می باشند. بنابرین آنها همان طور که در شکل ... دیده می شوند. باعث کاهش میدان الکتریکی خارجی می شوند.

در این شکل دو قطبی های داخل یک عایق و میدان الکتریکی خارجی که این دو قطبی ها را به وجود آورده است دیده می شوند. شدت میدان خارجی برابر E و شدت میدان الکتریکی دو قطبی ها و یا شدت میدان پولاریزاسیون ها برابر P می باشند. شدت میدان الکترکی در داخل عایق برابر تفاضل این دو میدان است. ایجاد دو قطبی را پولاریزاسیون می گویند. وقتی که در اثر میدان الکتریکی دو قطبی ها در جهت میدان منظم می شوند. این پدیده را پولاریزاسیون جهتی می نامند. توانایی یک ماده برای پولاریزه شدن توسط اندازه ای به نام ثابت دی الکتریک آن ماده تعریف می شود. در واقع ثابت دی الکتریک اندازه ایست که نشان می دهد چگونه میدان الکترکی بر روی عایق تاثیر می گذارد. به εr عدد دی الکتریک نسبی هم گفته میشود که از تقسیم ε بر ε0 حاصل می شود.

در جریان متناوب (AC) پلاریته میدان الکتریکی نیز به صورت متناوب تغییر می کند و در نتیجه این اتفاق، مولکول های دو قطبی در یک چرخش ثابت قرار می گیریند. در نتیجه ی چرخش مولکول های عایق، به واسطه اصطحکاک به وجود آمده بین مولکولها، عایق شروع به گرما می کند. این گرما ممکن است باعث شکست حرارتی عایق شود. این تلفات که به صورت گرما خودش را نشان میدهد را به عنوان تلفات دی الکتریک شناخته می شود. مطابق با فرمول ضریب تلفات عایق این تلفات دی الکتریک متناسب با فرکانس نیز می باشد. بنابراین شکست عایقی در فرکانس های بالا بسیار اتفاق می افتد.  اگر میدان اعمال شده خیلی بزرگ باشد تک تک بارهای الکتریکی به سرعت از دی الکتریک آزاد می شوند و ماده به مانند یک هادی شروع به عمل می کند. این پدیده را شکست الکتریکی می گویند. قدرت دی الکتریک Emax، بیشترین شدت میدان الکتریکی که یک عایق میتواند تحمل کند تا شکست الکتریکی در آن رخ ندهد گفته می شود. واحد آن هم در جدول SI نیز V/M می باشد.

 

شکست در عایق جامد

 

مکانیسم تخلیه الکتریکی در عایق های جامد هنوز به طور کامل روشن نشده است. آنچه مسلم است اینکه مولکول های جسم جامد بر خلاف مولکول های گاز و حتی مایع، به طور غیر یکنواخت در کنار هم قرار گرفته اند. همین عدم یک نواختی در مولکول های جسم جامد باعث می شود که استقامت الکتریکی جسم جامد ثابت نباشد و به واسطه عوامل جزئی تغییر کند. آنچه جالب توجه است اینکه استقامت الکتریکی جامدات بیش از استقامت الکتریکی گازها و حتی بیش از عایق های مایع، با افزایش زمان کاهش می یابد. سه قسمت A، B، C، کاملا متمایز هستند. در قسمت A، زمان شکست یا زمان اعمال ولتاژ، کوتاه است. ولی عایق تحمل ولتاژ بیشتری دارد. در این شکل به نظر می رسد. در این شکل به نظر می رسد که با دو منحنی سرو کار داریم که در ناحیه B با یک خط افقی به یک دیگر مربوط می شوند. دلایل شکست عایق در دو منحنی متفاوت هستند. در یک منحنی زمان بسیار کوتاه و در حد میکروثانیه است. در منحنی دیگر زمان در حدود چند ثانیه تا چند دقیقه است. سوختن در زمان های بسیار کوتاه را صرفا به دلیل ولتاژ، یعنی عامل الکتریکی می دانند. دلیل سوختن در زمان طولانی تر را عوامل حرارتی می دانند. دلیل دیگری نیز قابل تصور است و آن تخریب تدریجی عایق در طول زمان های طولانی یعنی چند ساعت تا چند سال است.

 

شکست الکتریکی صرف یا شکست داخلی

 

شکست الکتریکی داخلی در مواردی که دامنه ولتاژ بسیار بالا باشد پیش میاد. مدت زمان لازم برای شکست در این مورد بسیار کوتاه است. دلیل این نوع شکست را وجود تعدادی الکترون آزاد در داخل عایق می دانند که در میدان الکتریکی انرژی کسب نموده و قادر خواهند بود که در برخورد با مولکول ها از آنها الکترون آزاد کنند. الکترون هایی که به این ترتیب به وجود آمده اند نیز می توانند به نوبه خود در این امر شرکت نموده و تعداد زیادتری الکترون آزاد به وجود بیاورند الکترون ها به طرف آند حرکت کرده و یون ها بر جای خود باقی می مانند. در نتیجه یک میدان اکتریکی قوی تر در جلو کاتد به وجود می آید که به نوبه خود قادر است باعث خروج الکترون از کاتد و نفوذ آن به درون عایق گردد. بدین ترتیب بهمن الکترونی پدید خواهد آمد که در نهایت منجر به شکست عایق می شود. نظریه دیگر این است که بر اثر شدت میدان الکتریکی، الکترونها قادر خواهند بود مولکولی را که به آن تعلق دارند ترک نموده و به این ترتیب عایق در میدان الکتریکی بسیار شدید تبدیل به هادی خواهد شد. مدت زمان لازم برای شکست الکتریکی فقط چند نانو ثانیه می باشد و این مدت کوتاه دلیل ذکر شده را تایید می نماید. شدت میدان الکتریکی بسته به نوع جنس عایق می تواند بیش از یک میلیون ولت بر سانتی متر باشد.

 

شکست حرارتی 

 

در سیستم های فشارقوی شکست حرارتی یک خطای معمول می باشد و وقتی اتفاق می افتد که گرمای تولید شده توسط میدان الکتریکی در عایق سریعتر از خنک شدن آن پیش می رود . یک عایق ایده آل هیچ وقت وجود ندارد. به واسطه حرکت بارها در عایق الکتریکی گرما تولید می شود. اما در حضور میدان متناوب تلفات عایقی نیز باعث تولید گرمای بیشتری می شوند. همچنین در اثر عبور جریان الکتریکی از هادی و گرم شدن هادی، این گرما به عایق انتقال داده می شود.  به بیان دیگر هرگاه عایق در یک میدان الکتریکی قرار بگیرد، بر اثر اتلاف انرژی در آن گرما تولید می شود. این اتلاف انرژی از یک طرف ناشی از قابلیت هدایت الکتریکی ناچیز عایق است و از طرف دیگر به علت ایاد پولاریزاسیون در آن می باشد. علاوه بر آن اگر در داخل عایق جامد حباب گاز باشد وجود داشته باشد، در داخل آن حباب، تخلیه جزئی صورت می پذیرد که این تخلیه جزئی نیز به نوبه خود سبب ایجاد گرما می شود. عایق های الکتریکی جامد معمولا عایق حرارتی نیز هستند. و به این علت گرمای تولید شده در آنها به دشواری به خارج منتقل می کردد. به علاوه بر اثر گرما قابلیت هدایت الکتریکی عایق ها معمولا افزایش یافته و ضریب تلفات عایقی آنها بزرگتر می گردد. پس گرمای بیشتری در درون عایق تولید خواهد شد. هرچه درجه حرارت عایق نسبت به محیط افزایش یابد مقدار گرمای بیشتری نیز از عایق به محیط منتقل خواهد شد. ولی ممکن است حالتی پیش آید که گرمای تولید شده در عایق بیشتر از از مقدار گرمایی باشد که به خارج منتقل می گردد. در چنین حالتی درجه حرارت عایق افزایش یافته و احتمال دارد عایق بر اثر حرارت بسوزد و یا ضعف پیدا کند. در این صورت از نظر عایقی نیز دچار شکست شده و ولتاژ را نمی تواند تحمل کند.

 

شکست بر اثر تخریب عایق

 

شکست عایق بر اثر تخریب ممکن است چندین ساعت بیا چندین ماه طول بکشد. در این مدت، بر اثر تخلیه جزئی، عایق تخریب می شود. بدیهی است تخلیه جزئی در محل هایی پیش می آید که شدت میدان الکتریکی در آن نقاط بیش از حد تحمل عایق است. معمولا تخلیه جزئی در سطح عایق جامد (فصل مشترک عایق های جامد و و گاز یا جامد و مایع) یا در داخل حفره هایی که در داخل عایق جامد به هر دلیلی موجود هستندبروز می کند. این نوع تخلیه موجب شکست عایق در یک محدوده کوچک می گردد. به همین دلیل شکست کامل، یعنی اتصال کوتاه بین دو الکترود پیش نمی آید و به همین دلیل تخلیه جزئی می تواند برای مدت طولانی برقرار باشد. در طول زمان، این نوع تخلیه باعث خورده شدن و تخریب عایق می گردد. هر جرقه که بر روی سطح عایق جامد و یا در داخل حفره ای از آن پدید می آید، از نظر مکانیکی و شیمیایی عایق را تخریب می نماید. در نتیجه حفره مذکور بزرگتر شده و در درون عایق موادی با قابلیت هدایت الکتریکی بیشتری به وجود می آیند. این نوع تخلیه اغلب در داخل عایق و یا بر روی سطح آن شکل هایی نظیر درخت یا بوته را به وجود می آوردکه به آن تریینگ می گویند. این پدیده دشمن بسیار بزرگ کابل های فشار قوی با عایق پلی اتیلن می باشند.