العوازل

على الرغم من حقيقة أن غير الموصلات لا تحتوي على شحنا حرة ، إلا أن لها  تأثيراً واضحاً على المجالات الكهربية التي توضع فيها. وهذه المواد التي يطلق عليها عوازل في هذه السياق تميل إلى الإلغاء الجزئي للمجالات الكهربية التي تنشأ من الأجسام المشحونة.

يمكننا تقسيم العوازل إلى مجموعتين ، الأولى تحتوي على ثنائيات قطب جزيئية والأخرى لا تحتوي . وثنائي القطب يتكون من شحنتين متساويتين في المقدار ومختلفتين في الإشارة وتفصلهما مسافة صغيرة كما يوضح ذلك الشكل (1 أ) والكثير من الجزيئات تكون ــ على الرغم من أنها متعادلة كهربياً ( اي غير مشحونة) ــ على هيئة ثنائيات قطب ضئيلة. ويوضح الشكل (1 ب) بعض أمثلة تلك الجزيئات. ومثل هذه الجزيئات تسمى جزيئات ثنائية القطب. وعندما يوضح أحد هذه الجزيئات في مجال كهربي ، كما في الشكل (2) فإن طرفيه المشحونين بشحنات متعاكسة يقعان تحت تأثير قوتين متساويتين في المقدار ومتعاكستين في الاتجاه (Eq و –Eq) ويميل العزم الناتج إلى التأثير على الجزئ وجعله يصطف باتجاه المجال الكهربي. ونتيجة لهذا فإن الجزيئات ثنائية القطب الموجودة بين اللوحين المشحونين تميل إلى أن تصطف في صفوف كما يوضح الشكل ((3. ومن الناحية العملية ، تقوم الحركة الحرارية بالحيلولة دون حدوث تراص كامل للجزيئات في اتجاه المجال الكهربي إلا إذا كان المجال قوياً للغاية.

 الشكل (2)

الشكل ((3

الذرات وكثير من الجزيئات ليست في العادة في ثنائية القطب. وعلى الرغم من إنها تتألف من إلكترونات سالبة الشحنة ونوى موجب الشحنة إلا ان المراكز الفعالة لكلا النوعين من الشحنة تتطابق كما يوضح أعلى الشكل (4). وهكذا تتصرف عن بعضها البعض ولذا  فإنها لا تمتلك ثنائي قطب دائم. ومع هذا ، فعندما توضع مثل هذه الذرة أو هذا الجزئ في مجال كهربي ، كما هو موضح في الجزء السفلي من الشكل (3) فإن الالكترونات سالبة الشحنة تنجذب بشكل طفيف نحو اليسار أما النواة موجبة الشحنة فإنها تدفع بشكل طفيف إلى اليمين. وتتسبب هذه الزحزحة الطفيفة للشحنات في جعل الذرة ( او الجزئ) تصبح ثنائي قطب ؛ وعندئذ يقال أنها (او أنه) قد استقطبت ( او استقطب) ، وانها أصبحت تمتلك ثنائي قطب مستحث.

الشكل (4)

وهكذا نرى ان كل المواد العازلة ، إذا وضعت في مجال كهربي ، فإن ذراتها تصبح ثنائيات قطب مصطفة في اتجاه المجال كما في الشكل (3). لاحظ كيف أن اللوح الموجب يعمل على جعل الأطراف السالبة لثنائيات القطب تقترب منه بينما يجذب اللوح السالب الأطراف الموجبة. ولاحظ أيضاً في الشكل (3). ان اصطفاف ثنائيات القطب في صفوف يجعل طبقة من الشحنات الموجبة ( وهي الاطراف الموجبة لثنائيات القطب) تتواجد بالقرب من اللوح الذي إلى اليمين. وبالمثل فهناك طبقة من الشحنات السالبة بالقرب من اللوح الذي إلى اليسار. وعند وضع شريحة من مادة عازلة بين اللوحين كما في الشكل ((5 فإن ترتيب ثنائيات القطب يجعل الشحنات تظهر على وجهي الشريحة وليست هذه الشحنات سوى الأطراف المشحونة لثنائيات القطب البادية عند سطحي العازل.

وسوف نشير إلى هذا النوع من الشحنات على أنه شحنة الاستقطاب المستحث أو الشحنة  المقيدة. وتعكس التسمية الاخير حقيقة ان هذه الشحنة مقيدة إلى الذرات والجزيئات داخل العازل ؛ أي أنها ليست حرة لأن تتحرك بعيداً عن الذرة أو الجزء الذي تنتمي إليه.

الشكل ((5

ويختلف مقدار الشحنة المقيدة التي يمكن أن تستحث عند سطح جسم ما من مادة إلى أخرى ؛ فنحن نعلم ، مثلاً ، أن باطن موصل ما لابد وأن يكون منطقة خالية من المجال الكهربي. . ولهذا فلو ادخلت شريحة معدنية (او موصلة) بين اللوحين فإن الشحنة السطحية المستحثة لابد وأن تتساوى مع الشحنة على اللوحين ؛ وهذا يلغى تماماً المجال داخل الموصل. لاحظ أن كل خطوط المجال تنتهي عند السطح السالب للموصل وتبدأ مرة اخرى عند السطح الموجب ؛ وأنه لا توجد خطوط للمجال داخل الموصل.

اما بالنسبة للعوازل فالشحنة المستحثة تكون أقل من الشحنة الموجودة على اللوحين ، ولهذا فلن تنتهي كل خطوط المجال على شحنات عند سطح العازل ، لأن بعضها يتخلل المادة العازلة كما هو موضح في الشكل (5). والنتيجة العامة هي ان المجال الكهربي داخل العازل يكون أقل من المجال الخارجي المطبق عليه. وكلما كان من السهل على المادة أن تستقطب. كلما زاد الفرق بين المجال الداخلي والمجال الخارجي.

وتوصف قدرة العازل على خفض شدة المجال الكهربي بكمية تسمى ثابت العزل K له ويمكن تعريفه بالرجوع إلى الشكل ((5:

أي أن المجال الكهربي داخل عازل ما ليس سوى (1/K) من قيمته خارجه.