نارسانای الکتریکی چیست؟ – با مثال و به زبان ساده
هدایت جریان الکتریکی در اجسام یکی از مهمترین ویژگیهای الکتریکی آنها است. از اینرو مواد به سه دسته کلی رسانا، نارسانا و نیمهرسانا دستهبندی میشوند. مواد نارسانای الکتریکی یا عایقها موادی هستند که در آنها از حرکت آزادانه الکترونها جلوگیری میشود. در این مطلب در مورد این دسته از مواد صحبت میکنیم و به پرسش نارسانای الکتریکی چیست پاسخ خواهیم داد.
نارسانای الکتریکی چیست ؟
نارسانایی الکتریکی نقطه مقابل رسانایی الکتریکی است. نارسانای الکتریکی آن دسته از موادی هستند که اجازه عبور جریان الکتریکی را نمیدهند. به طور معمول، این دسته از مواد به عنوان لایه محافظ در مدارهای الکتریکی مورد استفاده قرار میگیرند.
مقاومت بالا و رسانندگی پایین دو مشخصه اصلی مواد نارسانای الکتریکی هستند. الکترونها در ساختار مواد نارسانا نمیتوانند آزادانه در سراسر ساختار ماده حرکت کنند. در واقع، الکترونها با اتمها پیوند قوی دارند. از اینرو جریان به راحتی از مواد نارسانای الکتریکی عبور نخواهد کرد. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا بعضی مواد، نارسانای جریان الکتریکی هستند. برای پاسخ به این سوال ابتدا مفهوم نوار ممنوعه توضیح داده میشود.
نوار ممنوعه چیست ؟
نوار ممنوعه کمینه انرژی است که الکترون برای شکستن پیوند و خروج از حالت مقید به هسته به آن نیاز دارد. تعریف دیگر نوار ممنوعه به صورت زیر خواهد بود:
به فاصله بین نوار ظرفیت الکترونها و نوار رسانش، نوار ممنوعه گفته میشود.
نوار ممنوعه میزان انرژی لازم برای تحریک الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش را تعیین میکند. الکترونها پس از رها شدن از قید هسته در رسانایی شرکت خواهند کرد. تراز انرژی پایینتر نوار ظرفیت نامیده میشود. در صورتی که بین این تراز و تراز انرژی بالاتر (نوار رسانش) شکافی وجود داشته باشد، برای داشتن الکترون آزاد باید انرژی به سیستم وارد شود. براساس اندازه و وجود یا وجود نداشتن این شکاف، مواد به سه دسته کلی رسانا، نیمهرسانا و نارسانا تقسیم میشوند.
در رساناها، نوارهای ظرفیت و هدایت با یکدیگر همپوشانی دارند. از اینرو، نوار هدایت به راحتی با الکترونهای نوار ظرفیت پر میشود. در مواد نارسانا، نوارها با یکدیگر همپوشانی ندارند. در واقع اندازه نوار ممنوعه بین نوار ظرفیت و رسانش بسیار بزرگ است. در نتیجه، پرش الکترونها از نوار ظرفیت به نوار رسانش تقریبا ناممکن است. اندازه نوار ممنوعه در نیمهرساناها کوچک است. بنابراین، الکترونها با دریافت انرژی کم میتوانند از نوار ظرفیت به نوار رسانش بروند و در هدایت الکتریکی شرکت کنند.
به هنگام صحبت در مورد نوار ممنوعه، مفهوم انرژی فرمی بسیار مهم است. انرژی فرمی بالاترین تراز انرژی است که توسط الکترونها در دمای پایین اشغال شده است. با استفاده از موقعیت انرژی فرمی نسبت به ترازهای انرژی میتوان رسانا، نیمهرسانا یا نارسانا بودن ماده را تعیین کرد.
اگر تراز انرژی فرمی داخل نوار ظرفیت قرار گرفته باشد، تمام الکترونها در پیوند شرکت کردهاند. اگر تراز انرژی فرمی داخل نوار رسانش قرار داشته باشد، درصدی ار الکترونها در هدایت الکتریکی شرکت خواهند کرد. در پایان، اگر تراز انرژی فرمی در نوار ممنوعه قرار گرفته باشد، نوار ظرفیت پر از الکترون و نوار رسانش خالی است (نیمهرسانا). اکنون میتوانیم به پرسش نارسانای الکتریکی چیست پاسخ دهیم. در ادامه در مورد مواد نارسانای الکتریکی و کاربردهای آنها توضیح میدهیم.
مواد نارسانای الکتریکی چیست ؟
به موادی با انرژی ممنوعه در حدود سه تا هفت الکترونولت، مواد نارسانای الکتریکی یا عایق گفته میشود. به دلیل فاصله زیاد بین نوار ظرفیت و رسانش، الکترونها نمیتوانند از نوار ظرفیت به نوار رسانش بروند. بنابراین جمعیت الکترونی برای شرکت در هدایت الکتریکی وجود ندارد. ذکر این نکته مهم است که در این مواد هدایت الکتریکی صفر نیست بلکه مقدار آن بسیار کم است.
سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که تحت چه شرایط ماده نارسانای الکتریکی، جریان الکتریکی را از خود عبود میدهد. با اعمال ولتاژ الکتریکی بزرگ، جسم نارسانا به جسم رسانا تبدیل خواهد شد. به این پدیده شکست الکتریکی میگوییم.
شکست الکتریکی
شکست الکتریکی پدیدهای است که در آن با اعمال ولتاژ به اندازه کافی بزرگ ماده نارسانای الکتریکی ناگهان به رسانای جریان الکتریکی تبدیل میشود. در صورتی که میدان الکتریکی ایجاد شده توسط ولتاژ اعمالی به ماده عایق از قدرت دیالکتریک آن بیشتر باشد، شکست الکتریکی اتفاق میافتد.
ولتاژ شکست
به ولتاژی که در آن ماده نارسانا به رسانا تبدیل میشود، ولتاژ شکست میگوییم. این ولتاژ به اندازه و شکل ماده بستگی دارد.
عوامل موثر بر نارسانایی الکتریکی
علاوه بر ولتاژ شکست، عواملی مانند ساختار اتمی، نفوذپذیری هوا و مقاومت بالا بر کارایی نارساناهای الکتریکی تاثیر خواهند گذاشت.
به طور معمول به هنگام نیاز به قطع جریان الکتریکی از ماده نارسانای الکتریکی استفاده میشود. به عنوان مثال، سیمهای الکتریکی استفاده شده در لوازم خانگی به وسیله مواد نارسانای الکتریکی پوشیده شدهاند. بنابراین، عبور جریان الکتریکی را از داخل سیم احساس نمیکنیم. در نتیجه، به هنگام کار با وسایل برقی با خطر برقگرفتگی مواجه نخواهیم شد.
کاربردهای مواد نارسانا
کاربرد اصلی مواد نارسانا در خانهها، خیابانها و ادارهها دیده میشود. این مواد در وسایلی استفاده میشوند که هدایت جریان الکتریکی در آنها لازم نیست.
مواد عایق از عبور ولتاژ بالا در وسایل الکتریکی جلوگیری میکنند. دیگر استفادههای مواد نارسانای الکتریکی عبارتند از:
- جلوگیری از عبور ولتاژ بالا در مدار الکتریکی
- کمک به کاهش هزینه انرژی
- نجات محیط اطراف با کنترل انتشار آلایندهها
- جلوگیری از شوک الکتریکی یا برقگرفتگی
- کمک به کاهش صدای لوازم خانگی (عایق صوتی)
- مدارهای الکتریکی
- پوشش کابلهای برق
- وسایل برقی فشار قوی
- پوشش سیمهای برق در خیابانها
بهترین مواد نارسانای الکتریکی
بهترین مواد نارسانای الکتریکی مورد استفاده بین رساناها که جریان الکتریکی را کنترل میکنند عبارتند از:
| مواد نارسانا | ||
| لاستیک | شیشه | آب خالص |
| روغن | هوا | الماس |
| چوب خشک | پنبه | پشم شیشه و پشم |
| کاغذ خشک | سرامیک | کواتز |
| چوبپنبه | پارچه | کاغذ |
معرفی فیلم آموزش علوم تجربی پایه هشتم - بخش فیزیک
مجموعه فرادرس در تولید و محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش علوم تجربی پایه هشتم - بخش فیزیک برای دانشآموزان پایه هشتم کرده است. این مجموعه آموزشی از چهار درس تشکیل شده است.
در درس یکم بحثهایی مانند الکتریسیته ساکن و رساناها، اختلاف پتانسیل الکتریکی، جریان الکتریکی و مقاومت الکتریکی تدریس میشود. همانگونه که در توضیحات بالا گفته شد، مقاومت الکتریکی یکی از مهمترین ویژگیهای مواد نارسانای الکتریکی است. بنابراین، پس از دیدن درس اول این فیلم آموزشی، درک بهتری از مواد عایق رسانای الکتریکی خواهید داشت.
مفاهیمی مانند مغناطیس، آهنربا و خواص آن در درس دوم آموزش داده میشود. در درسهای سوم و چهارم با مفاهیم نور، بازتاب نور و آینهها آشنا خواهید شد.
- برای دیدن فیلم آموزش علوم تجربی پایه هشتم - بخش فیزیک + اینجا کلیک کنید.
تفاوت مواد رسانا و نارسانای الکتریکی
پس از آشنایی با مواد نارسانای الکتریکی و ویژگیهای آنها، تفاوت این مواد با مواد رسانای الکتریکی به صورت خلاصه در جدول زیر بیان شده است.
| رساناها | نارساناها |
| در رساناها الکترونها از اتمی به اتم دیگر آزادانه حرکت میکنند. | نارساناها به الکترونها اجازه انتقال از اتمی به اتم دیگر را نمیدهند. |
| رساناها به دلیل وجود الکترونهای آزاد در ساختار خود، جریان الکتریکی را عبور میدهند. | در نارساناها الکترونها به اتمها مقید هستند. بنابراین الکترون آزادی در ساختار ماده عایق وجود ندارد. |
| الکترونهای بیرونیترین لایه در قید اتمها نیستند. | الکترونهای آخرین لایه در قید اتمها هستند. |
| رسانندگی بالایی دارند. | رسانندگی ضعیفی دارند. |
| بیشتر فبزات مانند مس، آلومینیوم، نقره و آهن، رساناهای خوب جریان الکتریکی هستند. | لاستیک، شیشه، پلاستیک و سرامیک نارساناهای معمول مورد استفاده در زندگی روزمره هستند. |
سوالات متداول پیرامون نارسانای الکتریکی
در ادامه به برخی از سوالات متداول پیرامون نارسانای الکتریکی اشاره میکنیم.
چرا گرافیت رسانای الکتریکی و الماس نارسانای الکتریکی است ؟
هر اتم کربن در گرافیت با سه اتم کربن دیگر پیوند کووالانسی برقرار کرده است. در نتیجه یکی از چهار الکترون ظرفیت هر اتم کربن در پیوند شرکت نکرده و آزاد است. این الکترونهای آزاد، آزادانه در ساختار کریستالی گرافیت حرکت میکنند. بنابراین گرافیت رسانای جریان الکتریکی است.
برخلاف گرافیت، هر اتم کربن در الماس با چهار اتم کربن دیگر پیوند کووالانسی برقرار کرده است. بنابراین هر چهار الکترون ظرفیت در هر اتمِ کربن در پیوند شرکت کردهاند و هیچ الکترون آزادی برای حمل بار الکتریکی به اطراف وجود ندارد.
چرا چوب نارسانای الکتریکی است ؟
چوب به دلایل زیر عایق جریان الکتریکی است:
- در چوب تعداد زیادی فضای خلاً وجود دارد. خلاً محیط نارسانایی است که جریان الکتریکی از آن عبور نمیکند.
- در چوب الکترون آزادی وجود ندارد. بنابراین، مقاومت الکتریکی بالایی دارد.
- الکتریسیته به صورت انتقال انرژی خالص به دلیل حرکت الکترونها تعریف میشود. تعداد این الکترونهای آزاد در چوب بسیار کم و در نتیجه چوب نارسانای جریان الکتریکی است.
آیا روغن نارسانای جریان الکتریکی است ؟
روغن به دلیل داشتن هیدروکربنهای غیراشباع نارسانای الکتریکی یا عایق است. اما تحت شرایط خاصی روغن ممکن است به رسانای الکتریکی تبدیل شود. اگر اختلاف ولتاژ اعمالی بزرگ باشد آنگاه شکست الکتریکی در روغن اتفاق میافتد و مانند رسانای الکتریکی رفتار خواهد کرد.
چه ویژگیهایی برای ماده نارسانای الکتریکی لازم است ؟
وظیفه ماده عایق الکتریکی جلوگیری از عبور جریانهای بسیار بالا از قسمتهای مختلف مدار الکتریکی است. بنابراین داشتن ویژگیهای زیر برای ماده نارسانای الکتریکی لازم خواهد بود:
- مقاومت: هنگامی که ولتاژ دو ولت جریان دو آمپری ایجاد میکند، نارسانای الکتریکی باید مقاومت یک اهمی تولید کند. بنابراین، ماده عایق الکتریکی باید از عبور الکترونهای رسانش جلوگیری کند.
- قدرت دیالکتریک: مواد نارسانای الکتریکی به منظور تحمل وزن مواد رسانای الکتریی باید از نظر مکانیکی پایدار باشند.
جمعبندی
در این مطلب به پرسش نارسانای الکتریکی چیست پاسخ دادیم و با مواد عایق و ویژگیهای آنها آشنا شدیم. همچنین در مورد نوار ممنوعه در مواد نارسانای الکتریکی صحبت کردیم. در پایان، به چند سوال مهم در مورد مواد نارسانای الکتریکی پاسخ دادیم.
آزمون نارسانای الکتریکی
۱. کدام ویژگی ساختاری، عامل اصلی تمایز مواد رسانا و نارسانای الکتریکی است؟
وجود الکترونهای جفت نشده در هسته اتم
دارابودن رنگ شفاف در ساختار ماده
قابلیت انعطافپذیری بالای مولکولها
وجود پیوند قوی میان الکترونها و اتمها
تفاوت عمده میان مواد رسانا و نارسانای الکتریکی در نحوه وابستگی الکترونها به اتمهاست؛ در نارساناها، پیوند قوی میان الکترونها و اتمها مانع حرکت آزاد الکترونها میشود و انتقال جریان رخ نمیدهد.
۲. کدام عبارت نقش اندازه نوار ممنوعه (Band Gap) را در تعیین رسانایی مواد بهدرستی بیان میکند؟
تمام مواد با نوار ممنوعه متوسط نارسانا هستند.
اندازه نوار ممنوعه ارتباطی با رسانایی ماده ندارد.
نوار ممنوعه بزرگ باعث میشود ماده جریان را بهراحتی عبور دهد.
نوار ممنوعه کوچک یا بدون گپ ماده را به رسانا تبدیل میکند.
عبارت «نوار ممنوعه کوچک یا بدون گپ ماده را به رسانا تبدیل میکند» صحیح است، زیرا اگر فاصله انرژی بین نوار ظرفیت و نوار رسانش (Band Gap) کوچک باشد یا اصلا وجود نداشته باشد، الکترونها به آسانی جابهجا میشوند و جریان عبور میکند، مثل فلزات. در مادههایی با نوار ممنوعه بزرگ، حرکت آزاد الکترون ناممکن است و ماده نارسانا میشود. پس فرض «نوار ممنوعه بزرگ باعث عبور آسان جریان» نادرست است. همچنین برخی مواد با نوار ممنوعه متوسط نیمهرسانا هستند، نه همه نارسانا. در نهایت اندازه نوار ممنوعه عامل مستقیم تعیینکننده رسانایی ماده است و رد کردن ارتباط آن نادرست است.
۳. اگر عایق الکتریکی یک مدار در معرض ولتاژ بسیار بالا قرار گیرد، چه اتفاقی برای آن و عملکرد مدار خواهد افتاد؟
عایق ساختار خود را حفظ کرده و جریان قطع باقی میماند.
هدایت الکتریکی عایق اندکی افزایش مییابد اما مدار ایمن باقی میماند.
عایق صرفا گرم شده و ولتاژ را عبور نمیدهد.
شکست الکتریکی رخ میدهد و مدار دیگر ایمن نیست.
وقتی یک عایق الکتریکی تحت ولتاژ بسیار بالا قرار گیرد، پدیده شکست الکتریکی رخ میدهد و ماده نارسانا ناگهان به رسانا تبدیل میشود. در این حالت، جریان به راحتی از عایق عبور میکند و نقش حفاظتی آن از بین میرود. بنابراین ایمنی مدار و کاربر دیگر تضمین نمیشود.
۴. در یک سیستم الکتریکی، اگر ساختار اتمی یک ماده تغییر کند و مقاومت آن کاهش یابد، چه تاثیری بر نقش آن به عنوان نارسانا خواهد گذاشت؟
ماده میتواند به رسانا تبدیل شود و جریان را عبور دهد.
ماده همچنان به عنوان نارسانا با هدایت پایین باقی میماند.
ماده در ولتاژهای پایینتر از قبل دچار شکست الکتریکی میشود.
ماده فقط برای مدت کوتاهی نقش عناصر محافظ را دارد.
وقتی ساختار اتمی یک ماده طوری تغییر کند که مقاومتش کاهش یابد، الکترونها میتوانند سادهتر جابهجا شوند و در نتیجه ماده به راحتی جریان را عبور میدهد. بر این اساس، ماده دیگر نمیتواند نقش عایق یا نارسانا را ایفا کند و به رسانا تبدیل میشود.
