PDF مقرر خواص المواد PDF

‫مقررخواص املواد‬ ‫الجمهورية العربية السورية‬ ‫الدكتورة ريم املنور‬ ‫جامعة دمشق‬ ‫هندسة الطاقة الكهربائية – سنة ثالثة‬ ‫كلية الهندسة امليكانيكية والكهربائية‬...

‫مقررخواص املواد‬ ‫الجمهورية العربية السورية‬ ‫الدكتورة ريم املنور‬ ‫جامعة دمشق‬ ‫هندسة الطاقة الكهربائية – سنة ثالثة‬ ‫كلية الهندسة امليكانيكية والكهربائية‬ ‫‪2024-2025‬‬ ‫الفصل األول‪ :‬المواد الناقلة‬ ‫‪.1‬الناقلية الكهربائية في المعادن‬ ‫ّ‬ ‫ّ‬ ‫املعادن كما هو معروف تتألف من ذرات‪ ،‬وال ّبد أن يكون لهذه الذرات ترتيب ما‪ ،‬وقد دلت الدراسات أن املعادن في‬ ‫ّ‬ ‫بأشعة إكس (‪ )X-ray‬ووسائل أخرى‪،‬‬ ‫حالتها الصلبة تتكون من بللورات (‪ )Crystals‬يمكن مشاهدتها والكشف عنها‬ ‫اصة على شكل شبكة‬ ‫فاملادة املعدنية الصلبة تتألف من عدد كبير من البللورات الوحيدة أو الخاليا البللورية املتر ّ‬ ‫ً‬ ‫ثالثية االحداثيات (الشكل ‪ ،)1-1‬حيث تتوضع الذرات أو الشوارد على زوايا وأسطح هذه الخاليا البللورية وأحيانا‬ ‫ً‬ ‫في داخلها‪.‬هذه الذرات املترابطة مع بعضها البعض بقوى معينة‪ ،‬تهتز في مواضعها باهتزازات تتبع عادة إلى درجة‬ ‫حرارة الجسم‪ ،‬أما االلكترونات في املعادن فتكون حرة الحركة وتنتقل في املسافات الذرية ( ‪INTERATOMIC‬‬ ‫ً‬ ‫‪ )SPACES‬للشبكة البللورية مصطدمة بالذرات املهتزة بشكل عشوائي‪.‬وتكون السرعة الحرارية الوسطية‬ ‫𝟏‬ ‫𝟑‬ ‫ً‬ ‫لإللكترونات 𝒉𝒕𝒗 أو باألحرى الطاقة الحركية تبعا للعالقة ‪𝒎. 𝒗𝒕𝒉 𝟐 = 𝑲𝑻 :‬‬ ‫𝟐‬ ‫𝟐‬ ‫ّ‬ ‫حيث أن ‪ K‬هو ثابت بولتسمان‪ T ،‬درجة الحرارة املطلقة مقدرة بالكلفين‬ ‫تتم الناقلية الكهربائية في املعادن بواسطة اإللكترونات الحرة‬ ‫الشكل (‪)1-1‬‬ ‫‪1|Page‬‬  ‫‪.1.1‬النظرية الكالسيكية للناقلية الكهربائية في المعادن‬ ‫ً‬ ‫نظرا لضعف الروابط بين اإللكترونات املتوضعة على املدارات الخارجية للذرة‪ ،‬والنواة‪ ،‬فإن هذه اإللكترونات‬ ‫أن الوضع سيختلف عند تطبيق فرق‬ ‫ّ‬ ‫ستنتقل بحركة عشوائية بين شبكة املعدن بسرعتها الحرارية الوسطية‪ ،‬إال‬ ‫ً‬ ‫كمون كهربائي على طرفي املعدن و انتشارحقل كهربائي فيه‪ ،‬فتبعا للعالقة‪:‬‬ ‫𝑬 ‪̅ = 𝒒.‬‬ ‫𝑭‬ ‫̅‬ ‫𝑭 القوة املطبقة على الشحنة 𝒒 و ̅‬ ‫𝑬 شدة الحقل الكهربائي‪ ،‬وستؤثر هذه القوة على اإللكترونات الحرة‬ ‫حيث ̅‬ ‫وتكون سرعة اإللكترونات الوسطية تابعة لشدة الحقل الكهربائي وبنفس منحاه ‪.‬هذه السرعة الجديدة املوجهة‬ ‫ّ‬ ‫لإللكترونات تسمى باالنسياق (‪ )DRIFT‬وحسب التعريف‪ ،‬فإن كثافة التيار الكهربائي 𝑱 هي كمية الشحن‬ ‫الكهربائية املارة في مقطع ما من ناقل في واحدة الزمن ‪.‬فمن أجل تيار كثافته 𝟐𝒎𝒄‪ , 𝑱 = 𝟏𝑨/‬فإن كمية‬ ‫الشحن املارة في ناقل مقطعه واحد سنتيمتر مربع وفي ثانية واحدة هو 𝐒𝐀𝟏 = 𝐂𝟏 وبما أن شحنة االلكترون‬ ‫تساوي 𝐒𝐀 𝟗𝟏‪ 𝐞 = 𝟏. 𝟔𝟎𝟐 × 𝟏𝟎−‬فيجب أن يمرفي هذا املقطع حوالي 𝟖𝟏𝟎𝟏 × 𝟔 الكترون في الثانية‪.‬‬ ‫ّ‬ ‫𝒗 ‪)1( --- 𝑱̅ = 𝒏. 𝒆.‬‬ ‫̅̅̅̅‬ ‫𝑫‬ ‫إن كثافة التيارالكهربائي ̅𝑱 يمكن حسابها بالعالقة‪:‬‬ ‫ّ‬ ‫𝒗 هي سرعة االنسياق املوجهة مقدرة ب (𝑺 ‪ ،)𝒄𝒎 /‬و 𝒏 ‪ :‬هي عدد الذرات للمعدن‪ ،‬وبالعكس‬ ‫حيث إن 𝑫‬ ‫̅̅̅̅‬ ‫فباإلمكان حساب سرعة االنسياق ملعدن ما من أجل كثافة تيارمعينة ‪.‬‬ ‫ً‬ ‫ونظرا الرتباط الناقلية النوعية الكهربائية 𝝌 أو مقلوبها (املقاومة النوعية الكهربائية 𝝆) بكثافة التيار ̅𝑱 وشدة‬ ‫̅ ً‬ ‫𝑬 ‪𝑱̅ = 𝝌.‬‬ ‫𝑬 أو ̅‬ ‫تبعا لقانون أوم العام ‪̅ = 𝝆. 𝑱̅ :‬‬ ‫الحقل الكهربائي 𝑬‬ ‫فباإلمكان التعويض عن كثافة التيارمن العالقة (‪ )1‬وبالتالي تصبح الناقلية النوعية الكهربائية‪:‬‬ ‫̅𝑱‬ ‫𝑫𝒗‬ ‫‪𝝌 = = 𝒏.𝒆.‬‬ ‫̅‬ ‫𝑬‬ ‫̅‬ ‫𝑬‬ ‫‪.1.1‬المتطلبات األساسية من المواد الناقلة‬ ‫في الصناعات الكهربائية يكثر استخدام النو اقل الصلبة وأهمها املعادن وخالئطها ومن املمكن في هذا املجال‬ ‫التمييز بين املواد ذات الناقلية الكهربائية العالية (‪ )HIGH CONDUCTIVITY‬واملستعملة بكثرة في صناعة‬ ‫األسالك والكوابل وملفات الوشائع للمحركات واملحوالت و أقطاب املكثفات‪ ،‬وبين املواد ذات املقاومة الكهربائية‬ ‫العالية (‪ )HIGH RESISTIVITY‬والتي تدخل في صناعة املقاومات املختلفة وأجهزة التسخين واإلنارة‪.‬لذا البد من‬ ‫اإلشارة إلى أن اختيار املعدن أو الخليطة املالئمة لصناعة كهربائية معينة يخضع إلى تحقيق بعض املتطلبات‬ ‫األساسية‪:‬‬ ‫‪2|Page‬‬  ‫ً‬ ‫‪ -1‬املقاومة النوعية الكهربائية 𝝆‪ :‬في املواد املستعملة كنو اقل يجب أن تكون 𝝆 صغيرة جدا أو باألحرى‬ ‫ناقليتها النوعية الكهربائية 𝝌 عالية قدر اإلمكان وفي الحدود االقتصادية ‪.‬حيث نجد أن معدن الفضة ذو‬ ‫مقاومة نوعية كهربائية صغيرة باملقارنة مع املعادن الصافية األخرى (‪𝝆𝑨𝒈 = 𝟎. 𝟎𝟏𝟔 𝛀 𝒎𝒎𝟐 /‬‬ ‫𝒎 ) أما الزئبق‪ ،‬وهو املعدن السائل الوحيد في درجة حرارة الغرفة فمقاومته النوعية كبيرة (= 𝒈𝑯𝝆‬ ‫𝒎 ‪. )𝟎. 𝟗𝟓𝟖 𝛀 𝒎𝒎𝟐 /‬‬ ‫ً‬ ‫ً‬ ‫وعموما فإن القيم املعطاة عادة غير ثابتة بل تتأثر بنسبة ونوعية الشوائب في املعدن‪ ،‬ويستفاد من تأثير‬ ‫الشوائب على املقاومة النوعية الكهربائية في صناعة املقاومات ذات املقاومة النوعية الكهربائية العالية‬ ‫وذلك بإضافة الشوائب على املعدن‪.‬‬ ‫‪ -2‬معامل املقاومة الحراري 𝝆𝜶 ‪ :‬يحبذ أن يكون معامل املقاومة الحراري صغير في النو اقل واملقاومات‪ ،‬وهو‬ ‫يعطي مقدار الزيادة لقيمة املقاومة عند زيادة درجة الحرارة درجة واحدة ويمكن تفسير زيادة مقاومة‬ ‫الناقل عند ا تفاع الحرا ة على النحو التالي ‪ :‬إن كثافة االلكترونات الحرة في الناقل املعدني تكون إلى ّ‬ ‫حد‬ ‫ٍّ‬ ‫ر‬ ‫ر‬ ‫ما ثابتة عند زيادة درجة حرارة الناقل إال أن االهتزازات للذرات املتوضعة في الشبكة البللورية للمعدن‬ ‫تزداد وبالتالي فإن التفاعل بين هذه االهتزازات وااللكترونات الحرة (التصادم) يزداد وهذا يعني أن الناقلية‬ ‫𝟏‬ ‫𝝆𝒅‬ ‫= 𝝆𝜶‬ ‫‪.‬‬ ‫النوعية الكهربائية 𝝌 ستنخفض ‪.‬يعرف معامل املقاومة الحراري بالعالقة‪:‬‬ ‫𝝆‬ ‫𝑻𝒅‬ ‫‪ -3‬املتانة امليكانيكية‪ :‬يجب أن تبدي املعادن متانة ميكانيكية مناسبة ليس في درجة حرارة الغرفة فقط بل في‬ ‫ً‬ ‫درجات الحرارة العالية أحيانا‪.‬كما يجب أن تتوفرفي هذه املعادن إمكانية التصنيع كالسحب على شكل‬ ‫ّ‬ ‫ً‬ ‫أسالك رفيعة أو التصفيح وأحيانا الصب‪.‬إن من أهم التجارب امليكانيكية التي تجرى على املعادن الختبار‬ ‫متانتها تجربة الشد‪.‬‬ ‫وكما هو موضح في الشكل (‪ ،)2-1‬فإنه نتيجة لإلجهادات املطبقة فستحدث في العينة املختبرة استطالة‬ ‫مرنة‪.‬وعن بلوغ النقطة ‪ B‬والتي تمثل مجال االنهيارحيث تنكسرالعينة بدون أي زيادة في االجهادات‪.‬‬ ‫‪B‬‬ ‫الشكل (‪)2-1‬‬ ‫‪3|Page‬‬ ‫‪ -4‬إمكانية اللحام‪ :‬من أهم متطلبات املعادن املستعملة كنو اقل أو مقاومات دقيقة هي قابليتها للحام‬ ‫بمقاومة أومية صغيرة عند الوصالت وذلك للتقليل من املفاقيد والضياعات الحرارية وباإلضافة لذلك‬ ‫يترتب أن تكون املتانة امليكانيكية لنقاط الوصل كافية وفي مستوى متانة املعادن املراد لحمها‪.‬‬ ‫‪ -5‬املتانة ضد التآكل والتقاوم‪ :‬تتعرض املواد املستخدمة في الصناعات الكهربائية كغيرها من املواد إلى‬ ‫ظروف جوية وظروف عمل مختلفة‪ ،‬ويتبع العمر الزمني لجهاز أو آلة إلى ما تبديه املواد املستخدمة من‬ ‫متانة ضد التآكل والتقاوم‪ ،‬ونعني بالتآكل انهيار املواد تحت تأثير التفاعالت الكيمياوية أو الكهروكيمياوية‪،‬‬ ‫ً‬ ‫فصدأ الحديد أو الفوالذ هو عبارة عن تآكل كيمياوي‪.‬ويبدأ التآكل عادة على سطح املعدن عبر تفاعل‬ ‫كيمياوي بين املعدن واملادة املؤثرة كاألكسجين‪ ،‬فإذا كان املركب الناتج عديم املسام وغير قابل لالنحالل في‬ ‫ً‬ ‫املاء كصدأ الحديد فإن ذلك يسارع في تآكل بقية املعدن وبالتالي انهياره‪.‬هذه الظواهر تشاهد عمليا عن‬ ‫استخدام براغي من الحديد أو الفوالذ لوصل قضبان األملنيوم وذلك لوجود املاء الغير النقي في نقطة‬ ‫التماس كما هو مبين في الشكل (‪. )3-1‬‬ ‫الشكل (‪)3-1‬‬ ‫إضافة ملا ّ‬ ‫تقدم فإن التآكل الكهركيميائي يحدث في املنشآت التي تعمل بالتيار املستمر فالتيارات الشاردة من‬ ‫الدارات في هذه الحالة ستسبب تآكل املعدن عند وجود سائل ناقل وتالحظ هذه الظواهر في أقطاب بطاريات‬ ‫السيارات وأرض ي شبكات التوتراملستمرأو في الكوابل واألنابيب القريبة من سكك الحافالت الكهربائية‪.‬‬ ‫الخصائص املطلوبة في املواد املوصلة ذات املقاومة املنخفضة أو ذات املوصلية العالية‪:‬‬ ‫‪.1‬أعلى موصلية ممكنة (صفر بشكلها مثالي)‪.‬‬ ‫‪.2‬أقل معامل مقاومة حرارية ممكن (صفر بشكلها مثالي)‪.‬‬ ‫‪.3‬نقطة انصهار عالية‪.‬‬ ‫‪.4‬صالبة ميكانيكية عالية‪.‬‬ ‫‪.5‬ليونة عالية‪ ،‬بحيث يمكن سحبها على شكل سلك بسهولة‪.‬‬ ‫‪.6‬مقاومة عالية للتآكل (خالية من األكسدة)‪.‬‬ ‫‪4|Page‬‬  ‫‪.7‬قدرة اللحام‪ ،‬بحيث يمكن لحامها بسهولة و وصلها بموصالت أخرى‪.‬‬ ‫‪.8‬منخفضة التكلفة‪.‬‬ ‫‪.9‬عمر طويل أو تحمل‪.‬‬ ‫‪.10‬مرونة عالية‪.‬‬ ‫بعض املواد ذات املقاومة املنخفضة أو املوصلية العالية ومقاومتها مع معامل املقاومة الحرارية موضحة في‬ ‫الجدول أدناه‪:‬‬ ‫معامل املقاومة الحرارية‬ ‫املقاومة (‪)μΩ -cm‬‬ ‫الرمز‬ ‫املعادن‬ ‫الرقم‬ ‫(‪)1/Co‬‬ ‫الكيميائي‬ ‫‪0.0038‬‬ ‫‪1.58‬‬ ‫‪Ag‬‬ ‫الفضة‬ ‫‪1‬‬ ‫‪0.00386‬‬ ‫‪1.68‬‬ ‫‪Cu‬‬ ‫النحاس‬ ‫‪2‬‬ ‫‪0.0034‬‬ ‫‪2.21‬‬ ‫‪Au‬‬ ‫الذهب‬ ‫‪3‬‬ ‫‪0.00429‬‬ ‫‪2.65‬‬ ‫‪Al‬‬ ‫االملنيوم‬ ‫‪4‬‬ ‫‪.1.1‬المواد ذات الناقلية الكهربائية العالية‪:‬‬ ‫‪.1.3.1‬النحاس (‪:)Copper Cu‬‬ ‫يوجد النحاس في الطبيعة على شكل ّ‬ ‫فلزات تحتوي على الكبريت والحديد واألوكسجين‪.‬بعد عمليات املعالجة‬ ‫املختلفة للفلزات‪ ،‬يلجأ عادة إلى التنقية الكهربائية وذلك للحصول على نحاس عالي النقاوة وصالح للصناعات‬ ‫ّ‬ ‫الكهربائية‪.‬إن من أهم أسباب انتشار استخدام النحاس في مجاالت الصناعات الكهربائية هو ناقليته الكهربائية‬ ‫ّ‬ ‫أن هذه الناقلية تتأثر إلى ّ‬ ‫ً‬ ‫حد ما باملعالجة الحرارية وطريقة تصنيع املعدن‬‫ٍّ‬ ‫الجيدة والتي تلي الفضة مباشرة إال‬ ‫وكذلك بنسبة ونوعية الشوائب الداخلة في تركيبه‪.‬يبين الشكل (‪ )4-1‬مقدار تغير الناقلية النوعية الكهربائية‬ ‫للنحاس كتابع لبعض أنواع الشوائب ونسب وجودها في املعدن‪.‬‬ ‫الشكل (‪)4-1‬‬ ‫‪5|Page‬‬  ‫ً‬ ‫ً‬ ‫الناقلية الحرارية للنحاس أيضا جيدة وتلي الفضة‪.‬في الظروف الجوية االعتيادية يعتبر النحاس مقاوما للتآكل‬ ‫والتأكسد‪.‬فالطبقة األوكسيدية املتشكلة على سطحه تقي املعدن من متابعة التأكسد‪.‬أما بوجود الرطوبة‬ ‫فتتشكل على سطح املعدن طبقة من فحمات النحاس املائية ذات اللون األخضر والكتيمة‪.‬‬ ‫ً ً‬ ‫إن نصف انتاج العالم من النحاس يستخدم في الصناعات الكهربائية وهو معدن عالي الكلفة نسبيا تبعا للنقاوة‬ ‫املطلوبة وذلك بسبب الطاقة الكهربائية املصروفة لعملية تنقية النحاس وبالتالي فإن استخدام النحاس يجب أن‬ ‫ّ‬ ‫ً‬ ‫ً‬ ‫يكون مبررا اقتصاديا وهذا ما يفسر استخدامه في التمديدات الداخلية‪ ،‬كما أن املخلفات النحاسية يجب عدم‬ ‫التفريط بها ألنه يمكن إعادة صهرها واستخدامها‪.‬‬ ‫ّ‬ ‫إن االستعمال الرئيس ي للنحاس اإللكتروليتي في التقنيات الكهربائية هو النو اقل الكهربائية بأشكالها املختلفة‬ ‫املعزولة وغير املعزولة وذلك بشكله الصافي أو الخليط‪ ،‬وتسمح متانته امليكانيكية املناسبة بصناعة أسالك بقطر‬ ‫ً‬ ‫يوازي (𝒎𝝁 𝟎𝟐) و أنابيب وصفائح‪.‬ونظرا لناقليته الحرارية الجيدة فيمكن استخدامه في مجمعات املحركات‬ ‫ً‬ ‫وفي التماسات الكهربائية إضافة إلى رؤوس أجهزة اللحام الكهربائية وسطوح تبريد القطع اإللكترونية واملشعات‬ ‫الحرارية‪.‬يستفاد من أكسيد النحاس في صنع بعض أنواع املقومات الكهربائية‪.‬‬ ‫‪.1.3.1.1‬خالئط النحاس‬ ‫تكمن الغاية من تكوين الخالئط هو الحصول على مواصفات جديدة للمعدن وتحسينه بشكل عام‪ ،‬مع التضحية‬ ‫ً‬ ‫أحيانا بناقليته الجيدة و ّ‬ ‫لعل أهم عنصر تحسين في املواصفات هو املتانة امليكانيكية في درجات الحرارة العادية أو‬ ‫ً‬ ‫العالية‪.‬إضافة لتحسين إمكانية التصنيع واللحام ومعالجة سطح املعدن والتآكل‪.‬أهم خالئط النحاس‪:‬‬ ‫‪.1‬النحاس األصفر (‪ :)BRASS‬وهي خليطة من النحاس والتوتياء (𝒏𝒁 ‪ )𝑪𝒖 −‬متانته امليكانيكية‬ ‫مساوية أو أكبر من متانة النحاس‪ ،‬ويتميز بمقاومة عالية ضد التآكل‪.‬سهل التصنيع والتشغيل‬ ‫واللحام إال أن ناقليته النوعية الكهربائية أقل من معدن النحاس الصافي بنسبة ‪. 25%‬وبشكل عام‬ ‫نميزبين نوعين من النحاس األصفر‪:‬‬ ‫آ‪.‬النحاس األصفر املستعمل في الصب ويستعمل خاصة في عمليات الصب الرملي لصناعة أغلفة األجهزة‬ ‫املختلفة‪.‬‬ ‫ب‪.‬النحاس األصفر املستعمل في السحب والدرفله‪ ،‬متانته امليكانيكية في حالة الشد عالية وهو جيد‬ ‫التشغيل على البارد ويستفاد منه في صناعة األنابيب والصفائح والقضيبان‪.‬‬ ‫‪.2‬البرونز (‪ :)BRONZE‬ويطلق هذا االسم على جميع خالئط النحاس التي تحتوي على أكثر من ‪%00‬‬ ‫نحاس والباقي معادن أخرى بشرط أال يكون التوتياء املركب األساس ي فيها‪.‬تتمتع جميع أنواع البرونز‬ ‫بقوة ميكانيكية عالية مقارنة بالنحاس ولكنها ذات موصلية أقل‪.‬من أنواع البرونز‪:‬‬ ‫‪6|Page‬‬ ‫أ‪.‬برونز األملنيوم‪ :‬ذو متانة ميكانيكية تقارب الفوالذ ومقاومة جيدة للصدمات واالهتزازات‬ ‫امليكانيكية‪.‬مقاومته للتآكل جيدة فهو ال يتأكسد في الهواء في درجات الحرارة العادية وال يتأثر بماء‬ ‫البحر أو املاء الساخن ويكثر استعماله في اآلالت الكهربائية املعرضة لالهتزازات وفي األجهزة‬ ‫املستعملة في السفن‪.‬‬ ‫ب‪.‬برونز القصدير‪ :‬هذه الخليطة مقاومة للتآكل ولتأثير ماء البحر‪.‬تتمتع بخواص املرونة امليكانيكية‬ ‫لذا تصنع منها النوابض الخاصة في املحركات الكهربائية‪.‬‬ ‫ً‬ ‫ت‪.‬برونز الكروم‪ :‬يتمتع بمتانة ميكانيكية عالية وحتى عند درجات الحرارة املرتفعة نسبيا بحدود ‪300‬‬ ‫درجة مئوية‪ ،‬يمتلك قابلية للتصفيح أو الدرفله جيدة ويستخدم في صناعة األقطاب االت اللحام‬ ‫ومجمعات اآلالت الكهربائية وتماسات القواطع ذات االجهادات العالية‪.‬‬ ‫من الجديربالذكرمعدن الفوالذ والذي يحتوي على الحديد مع إضافة نسبة صغيرة من الكربون إليه‪.‬الحديد بحد‬ ‫قويا ولكن عند إضافة الكربون إليه‪ ،‬يكتسب خصائص ميكانيكية جيدة ً‬ ‫جدا‪.‬قوة الشد للفوالذ أعلى‬ ‫ذاته ليس ً‬ ‫من قوة الشد للحديد‪.‬مقاومة الفوالذ الكهربائية أعلى بمعدل ‪ 9-8‬مرات من مقاومة النحاس‪.‬وبالتالي‪ ،‬ال يتم‬ ‫عموما كمواد ناقلة‪.‬يتم استخدام أسالك الفوالذ املغلفن كأسالك هاتفية عالية وأسالك‬ ‫ً‬ ‫استخدام الفوالذ‬ ‫أرضية‪.‬يتم تقوية موصالت األملنيوم بالفوالذ لزيادة قوة شدها‪.‬‬ ‫يمكن مالحظة الشكل التالي‪:‬‬ ‫‪.1.3.2‬األملنيوم‬ ‫يدخل األملنيوم في تركيب القشرة األرضية بنسبة ‪ 7%‬فهو متوفر بكثرة‪.‬ويوجد على شكل مركب البوكسيت‬ ‫)‪AlO(OH‬الذي يحتوي على نسبة ‪ 60%‬من أكسيد األملنيوم‪ ،‬وتتم عملية ارجاع األوكسيد بواسطة التحليل‬ ‫الكهرليتي وذلك للحصول على معدن األملنيوم‪.‬فمن أجل الحصول على طن من األملنيوم يتوجب معالجة أربعة‬ ‫ً‬ ‫ً‬ ‫أطنان من البوكسيت أو نصف هذه الكمية تقريبا من أكسيد األملنيوم إضافة إلى طاقة كهربائية رخيصة الثمن‪.‬‬ ‫‪7|Page‬‬ ‫ناقلية األملنيوم الكهربائية والحرارية جيدة إال أنها أقل من النحاس‪ ،‬واألملنيوم أخف من النحاس بحوالي ‪ 3.3‬مرة‪،‬‬ ‫ومقاومته النوعية أكبر بحوالي ‪ 56%‬من النحاس‪ ،‬أما الناقلية الحرارية لألملنيوم أقل من النحاس‪.‬وبالتالي فإنه‬ ‫عند محاولة استبدال ناقل من النحاس بآخر من األملنيوم له نفس املقاومة والطول يجب تكبير مقطع ناقل‬ ‫ّ‬ ‫األملنيوم ب (‪ )1.56‬مرة‪.‬أي أن قطر الناقل لألملنيوم سيصبح‪ 𝒅𝑨𝒍 = 𝟏. 𝟐𝟓 𝒅𝑪𝒖 :‬أما وزن ناقل األملنيوم‬ ‫يوازي نصف وزن الناقل النحاس ي في هذه الحالة ‪.‬‬ ‫ّ‬ ‫‪ -‬إن املتانة امليكانيكية لألملنيوم تتبع إلى طريقة التصنيع وهي أقل من النحاس‪.‬‬ ‫‪ -‬وجود الشوائب في األملنيوم يضعف ناقليته الكهربائية‪.‬‬ ‫‪ -‬املتانة امليكانيكية لألملنيوم تتبع إلى طريقة التصنيع وهي أقل من النحاس‪.‬وتتشكل على األملنيوم في الهواء‬ ‫العادي طبقة من األكسيد تحمي بقية املعدن من التآكل‪.‬‬ ‫‪ -‬من املمكن سحب األملنيوم على شكل أسالك أو تصنيعه على شكل صفائح رقيقة‪.‬‬ ‫‪ -‬يمكن لحامه لكن بطرق خاصة بسبب طبقة األوكسيد املتشكلة على سطحه والصعبة االنصهار‪.‬‬ ‫‪ -‬يستخدم األملنيوم في النو اقل الهوائية واألرضية وملفات املحوالت واآلالت الكهربائية أفضل من‬ ‫استخدام النحاس‪.‬‬ ‫‪ -‬يستعاض أحيانا عن الرصاص كغالف واقي للكوابل باألملنيوم لخفة وزنه وندرة الرصاص وإمكانية تصفيح‬ ‫األملنيوم على شكل رقائق‬ ‫‪ -‬يستخدم كأقطاب للمكثفات بسماكات تتراوح بين ‪ 7-5‬ميكرو متر‪.‬‬ ‫‪ -‬من سيئات األملنيوم حدوث تآكل غلفاني عند تماسه مع النحاس أو الفوالذ بوجود الرطوبة أو األحماض‬ ‫الخفيفة مما يستدعي عزل مناطق التماس هذه بمواد ورنيشية مناسبة‪.‬‬ ‫يمكن مالحظة الشكل التالي‪:‬‬ ‫‪.1.3.2.1‬خالئط األملنيوم‬ ‫‪8|Page‬‬ ‫أ‪ -‬دور الومين (‪ :)DURALUMIN‬وهي عبارة عن خليطة من نموذج (‪ ) Mg، Cu،Al‬وذلك بالنسب ‪2.5 – Cu‬‬ ‫=𝝆‬ ‫‪ 1.0%‬والباقي أملنيوم‪.‬املقاومة النوعية الكهربائية لهذه الخليطة‬ ‫‪ 5%‬و‪Mg‬‬ ‫𝒎‪. 𝟎. 𝟎𝟑𝟔𝟎 𝛀 𝒎𝒎𝟐 /‬وتتميز بمتانة ميكانيكية عالية قد تصل إلى ‪𝝈𝑩 = 𝟓𝟎 𝑲𝒈𝒇 /‬‬ ‫𝟐𝒎𝒎 في حالة الشد وبعد املعالجة الحرارية املناسبة‪.‬تصنع من هذه الخليطة قطع اآلالت ذات‬ ‫االجهادات العالية و أنواع متينة من البراغي‪.‬‬ ‫ب‪ -‬هيدروناليوم (‪ :)HYDRONALIUM‬وهي خليطة من نموذج (‪ ) Mg،Al‬وذلك بنسبة ‪ 3.9% Mg‬ومن أهم‬ ‫صفاتها مقاومتها للتأثربماء البحروتستعمل في صناعة السفن‪.‬‬ ‫ت‪ -‬آلدراي (‪ :)ALDREY‬وهي من أهم خالئط األملنيوم املستخدمة في الصناعات الكهربائية وكبديل لألملنيوم‬ ‫كأسالك ناقلة‪ ،‬الخليطة من نموذج (‪ )Al, Mg, Si‬وبالنسب ‪ 0.4 - 0.5% Mg‬و ‪ 0.5 - 0.6% Si‬وحوالي ‪Fe‬‬ ‫‪ 0.2%‬والباقي أملنيوم ‪.‬واملتانة امليكانيكية للشد أفضل من األملنيوم ‪𝛔𝐁 = 𝟑𝟒 − 𝟓𝟎 𝐊𝐠𝐟 /‬‬ ‫𝟐𝐦𝐦 ودرجة اإلنصهار أعلى 𝐂 ‪ 𝐓𝐦 = 𝟏𝟏𝟎𝟎°‬أما الناقلية النوعية الكهربائية فتساوي = 𝛘‬ ‫𝟐𝐦𝐦 ‪ 𝟑𝟏 𝐦 / 𝛀.‬أي في حدود ‪ 86%‬من ناقلية األملنيوم ‪.‬‬ ‫‪.1‬اعتبارات أساسية عند اختيار معادن النواقل الهوائية‪:‬‬ ‫في الشبكات الهوائية يعتبرالنحاس واألملنيوم النقيين من أهم املعادن املستخدمة كنو اقل‪.‬وفي بعض الحاالت‬ ‫الخاصة يمكن استخدام خالئط هذين املعدنين‪.‬وبالنسبة للنو اقل التي ال تنقل الطاقة الكهربائية بشكل‬ ‫أساس ي مثل (الخط األرض ي) فيمكن استعمال الحديد املغلفن بالتوتياء‪.‬‬ ‫فبسبب متانته امليكانيكية الجيدة وحتى من أجل مقاطع صغيرة ومسافات كبيرة بين األبراج‪ ،‬ال يزال النحاس‬ ‫ً‬ ‫يحتل املرتبة األولى بين املعادن املستخدمة لهذا الغرض‪.‬وإضافة إلى ناقليته الكهربائية الجيدة وثباته ضد‬ ‫ً‬ ‫التآكل‪ ،‬فإن الطبقة الو اقية من أكسيد النحاس املتشكلة على سطح املعدن تتمتع أيضا بناقلية كهربائية‬ ‫جيدة ‪.‬وفي بعض الحاالت الخاصة التي تتطلب متانة ميكانيكية أكبر من متانة النحاس يمكن استخدام بعض‬ ‫خالئط النحاس (البرونز)‪.‬‬ ‫ّ‬ ‫أما معدن األملنيوم فيتميز بخفة وزنه باملقارنة مع النحاس ويمكن التغاض ي عن كبر مقاومته النوعية‬ ‫الكهربائية النسبية عند استخدامه في مجال التوترات العالية‪.‬وفي الحاالت التي تكون فيها املتانة امليكانيكية‬ ‫لهذا املعدن غير كافية نلجأ إلى استخدام األملنيوم ذو القلب الفوالذي الذي يساعد على تأمين املتانة‬ ‫امليكانيكية املناسبة‪.‬وتكمن السلبية أن طبقة أكسيد األملنيوم املتشكلة على سطح الناقل تكون ذات ناقلية‬ ‫كهربائية سيئة بعكس أكسيد النحاس فعند وصل ناقلين من األملنيوم يجب تنظيف السطحين بطرق‬ ‫ميكانيكية إلبعاد طبقة األوكسيد‪ ،‬وإال قد يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة نقاط التماس مما يضعف املتانة‬ ‫‪9|Page‬‬ ‫امليكانيكية بشكل كبير‪ ،‬أما عند وصل ناقلين من النحاس ال يتطلب األمر سوى تنظيف سطحي وبسيط من‬ ‫االتساخ ؤ العادي‪.‬‬ ‫ّ‬ ‫إن عملية املفاضلة بين املعدنين املذكورين ال يخضع إلى االعتبارات السابقة فقط‪ ،‬بل إلى جوانب اقتصادية‬ ‫ً‬ ‫وتصميمية ثانية‪.‬فأسعار األملنيوم ارتفعت في السنوات املاضية بسبب شيوع استخدامه مقارنة مع النحاس‬ ‫ً‬ ‫ولكن هذا العامل يصعب اعتباره أساسيا بسبب تذبذب أسعار النحاس‪.‬أما من الناحية التصميمية فيؤخذ‬ ‫باالعتبارالنقاط التالية كتابع لتوترالشبكات‪:‬‬ ‫ً‬ ‫‪ -1‬في الشبكات الهوائية ذات التوترات املنخفضة نسبيا‪ ،‬تلعب قيمة املقاومات األومية وما ينتج عنها من‬ ‫ً‬ ‫ً‬ ‫مفاقيد دورا أساسيا في اختيار النحاس كمعدن ناقل‪.‬إضافة لذلك فإن تكبير مقطع الناقل املصنوع من‬ ‫األملنيوم بنسبة ‪ %50‬للحصول على املقاومة األومية املكافئة‪ ،‬يؤدي إلى زيادة ضغط الرياح واالحمال‬ ‫األخرى (الجليد) على األبراج‪ ،‬مما يتطلب تقليل البعد بين األبراج أو زيادة متانتها امليكانيكية‪.‬‬ ‫ً‬ ‫‪ -2‬في شبكات التوتراملتوسط (𝐕𝐊 𝟎𝟓𝟏 ‪ )𝟐𝟎 −‬تلعب املقاومة الرد فعلية دورا قد يكون أكبرمن املقاومة‬ ‫ً‬ ‫األومية‪ ،‬إضافة لذلك فإنه في التوترات املساوية أو األكبر من (𝐕𝐊 𝟎𝟔) فإن مفاقيد الكورونا‪ ،‬والتي‬ ‫تحدد القطر األدنى للناقل‪ ،‬يجب أن تؤخذ بالحسبان ففي هذه الحالة يمكن القول أن النحاس واألملنيوم‬ ‫ً‬ ‫ً‬ ‫متكافئين فنيا و اقتصاديا‬ ‫‪ -3‬من أجل التوترات املساوية أو األكبر من (𝐕𝐊 𝟎𝟐𝟐) يصبح تأثير مفاقيد الكورونا هو األساس في اختيار‬ ‫ً‬ ‫النو اقل‪.‬إذ يتحتم هنا اختيار ناقل ذو قطر خارجي كبير نسبيا إلبقاء هذه املفاقيد في الحدود املقبولة‬ ‫ً‬ ‫اقتصاديا وبالتالي فإن نو اقل األملنيوم ذات القلب الفوالذي تؤمن املتطلبات الكهربائية وامليكانيكية‬ ‫ً‬ ‫والقطراملناسب لتقليل مفاقيد الكورونا‪.‬الشكل (‪ )5-1‬يبين مقطعا في ناقل األملنيوم ذو القلب الفوالذي‪.‬‬ ‫الشكل (‪)5-1‬‬ ‫ّ‬ ‫ً‬ ‫‪ -4‬من أجل التوترات العالية جدا وفي حدود (𝐕𝐊 𝟎𝟎𝟒) أو أكثر فإن معظم الدول تستخدم النو اقل‬ ‫الحزمية (‪ )BUNDLE CONDUCTORS‬وهي عبارة عن عدد من النو اقل العادية واملتصلة مع بعضها‬ ‫‪10 | P a g e‬‬ ‫البعض بمسافات محددة (الشكل ‪ ،)0-1‬فمن الناحية الكهربائية يتصرف الناقل الحزمي وكأنه ناقل ذو‬ ‫ً‬ ‫قطر كبير جدا مما يخفف إلى حد كبير من مفاقيد الكورونا وتأثيراتها أيضا على محطات البث واالتصاالت‬ ‫ً‬ ‫الالسلكية‪ ،‬إضافة إلى تحسين مردود الشبكة وذلك عبر تصغير املمانعة املوجية وبالتالي تكبير االستطاعة‬ ‫الطبيعية‪.‬‬ ‫الشكل (‪)0-1‬‬ ‫ويمكننا إجراء مقارنة بسيطة وفق طرح التساؤالت التالية‪:‬‬ ‫‪ -‬أي الناقلين أفضل األملنيوم أم النحاس؟‬ ‫النحاس يعتبر أفضل للتمديدات الداخلية من األملنيوم بسبب سهولة استخدامه ولقدرته العالية على تمرير‬ ‫التيار الكهربائي‪ ،‬كما أنه يؤدي أداء أفضل من األملنيوم وكما أن قدرته على توصيل التيار الكهربائي أفضل من‬ ‫قدرة األملنيوم على ذلك‪.‬مساحة مقطع ناقل النحاس أصغرمقارنة باألملنيوم عند نفس التيار‪.‬‬ ‫ً‬ ‫كما أن األملنيوم يعتبر أيضا موصل جيد للتيار الكهربائي‪ ،‬ولكنه ال ينقل التيار بنفس قدرة النحاس وهذا ألن‬ ‫ً‬ ‫األملنيوم يوصل التيار الكهربائي أبطأ من النحاس‪.‬هذا ما يجعل عملية التدفق الكهربائي تستغرق وقتا أطول‬ ‫عبره‪.‬كما أن األملنيوم لديه سمة التآكل مع مرور الوقت مما يجعله أكثر عرضة للتلف‪.‬النحاس يتمدد أقل مقارنة‬ ‫مع األملنيوم والذي تمدده عالي‪.‬طبقة أكسيد النحاس ذات ناقلية كهربائية‪.‬‬ ‫ً‬ ‫‪ -‬هل يمكن استخدام سلك األملنيوم بدال من النحاس؟‬ ‫ً‬ ‫إن أسالك األملنيوم عموما أسهل في االستخدام من األسالك النحاسية ألنها أخف و أكثر قابلية للتشكيل‪ ،‬مما‬ ‫يجعلها مادة مثالية لالستخدام في مجموعة واسعة من التطبيقات‪.‬و أقل تكلفة حيث أن تكلفة نو اقل األملنيوم‬ ‫نصف نو اقل النحاس في خطوط النقل بالتوتر العالي‪.‬ومع ذلك‪ ،‬فإن أسالك األملنيوم تتآكل مع مرور الوقت‪،‬‬ ‫ً‬ ‫خاصة إذا تعرضت لدرجات حرارة مرتفعة‪.‬يمكن أن يتسبب ذلك في جعل السلك هشا وينكسر‪ ،‬مما يؤدي إلى‬ ‫احتمالية حدوث حريق‪.‬تتمثل مزايا استخدام أسالك األلومنيوم في كونها خفيفة الوزن ومرنة وسهلة االستخدام‬ ‫‪11 | P a g e‬‬ ‫بسبب مرونتها‪ ،‬يمكن استخدامها في تطبيقات مختلفة مثل السباكة واألسالك الكهربائية واملحوالت الكهربائية‬ ‫وغيرها‪.‬األلومنيوم ً‬ ‫أيضا موصل جيد للحرارة‪ ،‬وهذا يعني أنه ال يوصل الكهرباء بنفس كفاءة األسالك النحاسية‪،‬‬ ‫ولكنه يوصل الحرارة بما فيه الكفاية ملنع تسخين املعدات‪ ،‬حيث يعتبراألملنيوم معدن بارد‪.‬‬ ‫ً‬ ‫باإلضافة إلى ذلك‪ً ،‬‬ ‫نظرا ألن األلومنيوم رخيص نسبيا ومتوفر بسهولة‪ ،‬يمكنك استخدامه في التمديدات الخارجية‬ ‫دون الحاجة إلى إنفاق الكثير من الوقت واملال‪.‬‬ ‫العيب في ذلك هو أن أسالك األلومنيوم أكثر عرضة للتآكل من أنواع أخرى من األسالك‪.‬وكذلك املقاومة‬ ‫الكهربائية ألسالك األملنيوم أكبرمن املقاومة الكهربائية للنحاس وبالتالي عمرافتراض ي أصغر‪.‬كما ذكرنا أنه ال تؤثر‬ ‫العوامل الجوية على النحاس حيث تتشكل طبقة زنجار أخضر‪.‬كما أن سرعة أكسدة النحاس أكبر منها لألملنيوم‬ ‫حيث تتراوح قيمة ضياعات النقل ‪ )5-2( %‬بينما في األملنيوم (‪ % )25-20‬حيث يتم دفن اسالك النحاس للحفاظ‬ ‫عليها بينما األملنيوم للتمديد الخارجي و أفضل للمسافات الطويلة‪.‬‬ ‫ً‬ ‫طبقة أكسيد األملنيوم التي تتشكل على سطح معدن األملنيوم غير مسامية وغير نشطة كيميائيا وتسبب عزله عن‬ ‫التآكل‪.‬‬ ‫ً‬ ‫‪ -‬ما هو أكثر املعادن توصيال للكهرباء؟‬ ‫الفضة لديها القدرة األعلى على إيصال التيار الكهربائي مقارنة باملعادن األخرى حيث أنه بمقارنة جميع املعادن‬ ‫بناء على مقياس من ‪ 0‬إلى ‪ ،100‬تحتل الفضة املرتبة ‪ ،100‬تليها الذهب والنحاس على التوالي‪.‬كما أن‬ ‫بالفضة ً‬ ‫ً‬ ‫ً‬ ‫الفضة أيضا موصل جيد جدا للحرارة والكهرباء‪.‬كما إنها املعدن الوحيد الذي يمكن استخدامه كعازل كهربائي‪،‬‬ ‫أيضا توصل الحرارة بشكل جيد‬‫والذي يعني أنه يمكنه توصيل الكهرباء دون فقدانه لخواصه الكهربائية‪.‬الفضة ً‬ ‫لذا فهي خيار جيد لالستخدام كحاجز حراري أو مشع حرارة‪.‬‬ ‫‪ -‬ما هي عيوب استخدام الفضة مقارنة بالنحاس؟‬ ‫على الرغم من أن الفرق في أداء االسالك الفضية والنحاسية واضح‪ ،‬إال أن هنالك أسباب كثيرة الستخدام‬ ‫االسالك النحاسية بشكل متكرر أكثر من الفضة‪.‬أبرزها هو وفرة النحاس مقارنة بالفضة بشكل طبيعي أكثر بكثير‪.‬‬ ‫ً‬ ‫من جانب آخرالفضة هي أيضا أكثرعرضة لألكسدة وخاصة في املناخات الرطبة والتربة شديدة الحموضة‪.‬‬ ‫تتفاعل املعادن باستثناء الذهب (مع املاء واألكسجين أو الكبريت) وتتحول مع مرور الوقت الى أشباه موصالت‪،‬‬ ‫وتصبح أقل كفاءة في الحركة‪.‬في حين أن جميع األسالك املعدنية تتحلل بمرور الوقت ‪,‬فإن معدل تحلل الفضة‬ ‫مرتفع مقارنة بتكلفته يجعله خيار س يء في العديد من الحاالت‪.‬ويستخدم الفضة بشكل عام في االلكترونيات‬ ‫واألنظمة الحساسة مثل املفاتيح الصناعية وكهرباء السيارات‪.‬‬ ‫‪12 | P a g e‬‬  ‫‪.1‬المواد ذات الناقلية الكهربائية المنخفضة‬ ‫ً‬ ‫كما ذكرنا سابقا فإن وجود الشوائب في البنية البلورية للمعدن تؤدي إلى زيادة املقاومة النوعية الكهربائية‪.‬‬ ‫ويستفاد من هذه الخاصية للحصول على خالئط معدنية ذات ناقلية نوعية كهربائية صغيرة وذلك بصهر معدنين‬ ‫ً‬ ‫او أكثر بشكل متعمد‪.‬ومن املتطلبات الهامة أن يكون معامل املقاومة الحراري صغير جدا من أجل أسالك‬ ‫املقاومات املستخدمة في أجهزة القياس الحساسة ويفضل أن يكون كبيرا من أجل املقاومات املستعملة كموازين‬ ‫حرارة‪.‬‬ ‫‪.1.1‬خالئط المقاومات‬ ‫‪ ‬الكونستانتان (‪:)CONSTANTAN‬‬ ‫عبارة عن خليطة من النحاس والنيكل بنسبة نحاس ‪ 00%‬ونيكل‪ 40%‬وهي أفضل نسبة للحصول على أعلى قيمه‬ ‫للمقاومة النوعية الكهربائية و أقل قيمة ملعامل املقاومة الحراري‪.‬وقد أعطيت الخليطة هذا االسم لثبات قيمه‬ ‫املقاومة مع تغير درجات الحرارة‪.‬من مميزات الكونستانتان الجيدة بثباتة الحراري حتى ‪ 000‬درجة مئوية وإمكانية‬ ‫لحامه‪ ،‬إال عند تماسه مع النحاس او الحديد تتشكل بين الخليطة واملعدن قوة محركه كهربائية حرارية مع‬ ‫النحاس‪.‬هذه الخاصية السيئة تحد من استعمال الكونستانتان في صناعه دارات اجهزه القياس الحساسة‬ ‫كالجسور ومقسمات التوتر بسبب نشوء أخطاء في القياس‪.‬ويستفاد من هذه الخاصية أحيانا في قياس الحرارة‬ ‫بواسطة املزدوجة الحرارية‪.‬‬ ‫‪ ‬املنغانين‪:‬‬ ‫تتألف خليطة املنغانين بشكل رئيس ي من النحاس بنسبة ‪ ،80-85%‬نسبة املنغنيز‪ ،12-15%‬نسبة النيكل‪.2-5%‬‬ ‫وهي أكثر الخالئط شيوعا بسبب رخص ثمنها النسبي نظرا لقلة معدن النيكل النادر واملرتفع التكلفة والداخل في‬ ‫تركيبها باملقارنة من الكونستانتان‪.‬وبالرغم من أن املقاومة النوعية الكهربائية اقل من الكونستانتان ومعامل‬ ‫مقاومتها الحراري أكبر‪ ،‬إال أن القوة املحركة الكهربائية الحرارية عند التماس مع معدن النحاس اقل بكثير‪.‬متانة‬ ‫املنغانين امليكانيكية جيدة مع إمكانية تصنيع على شكل اسالك رفيعة بقطر ‪ 20‬ميكرومتر‪.‬الثبات الحراري‬ ‫منخفض نوعا ما‪.‬‬ ‫‪.4‬مواد التماسات الكهربائية‪.‬‬ ‫ان مهمة التماسات الكهربائية على اختالف أنواعها هو فتح واغالق الدارات الكهربائية‪ ،‬وتكون هذه التماسات‬ ‫ً‬ ‫تبعا لطبيعة عملها معرضة إلجهادات حراري وميكانيكية‪.‬لذلك يجب أن تتوفر في املعادن املستعملة لهذا الغرض‬ ‫بعض الشروط الخاصة‪:‬‬ ‫‪13 | P a g e‬‬ ‫‪ -‬الناقلية الكهربائية للمعدن جيدة وهذا شرط أساس ي وذلك حتى ال يتشكل معدن التماس مقاومة اضافية‬ ‫في الدارة الكهربائية قد تؤدي الى رفع درجة الحرارة وزيادة املفاقيد‪.‬‬ ‫‪ -‬املقاومة الكهربائية لسطح التماس ضعيفة وثابتة زمنيا‪ :‬ان املقاومة الكهربائية عند مرور التيار الكهربائي‬ ‫عبر سطحي معدني التماس تكون أكبر من مقاومة ناقل متصل وحتى لو طبقت قوى ضاغطة ميكانيكية‬ ‫على سطحي التماس ويعزى عبر املقاومة ان سطوح التماس املعدنية والتي تبدو للعين املجردة ناعمة جدا‬ ‫تكون في الو اقع خشنة في املجال امليكروسكوبي (الشكل ‪.)7-1‬‬ ‫الشكل (‪)7-1‬‬ ‫كما أن هذه السطوح في الحياة العملية وفي الظروف الطبيعية ليست معدنية صافية بشكل كامل‪.‬فاملعادن‬ ‫الصافية تتغطى عند تعرضها للجو وبشكل سريع بطبقات من االكاسيد أو الكلوريد أو السلفيد‪.‬وفي ظروف‬ ‫االتساخ الغير طبيعية قد تتشكل طبقات من ذرات املاء امللوث وأحيانا الزيوت والشحوم والغبار‪ ،‬هذا ما يستدعي‬ ‫ً‬ ‫استخدام املعادن الثمينة والنادرة وخالئطها ملواد التماسات نظرا ألن الطبقات الكيماوية املتشكلة على سطوحها‬ ‫ً‬ ‫ً‬ ‫تكون رقيقة جدا ‪ ,‬فهي ال تعيق مرورالتيارالكهربائي بشكل كبيرألن مقاومتها السطحية منخفضة نسبيا‪.‬‬ ‫‪ -‬الناقلية الحرارية للمعدن جيدة‪ :‬بسبب مقاومات التماس املختلفة فستنشأ مفاقيد حرارية عند مرور‬ ‫التيار بفعل جول‪ ،‬وبالتالي سترتفع درجة حرارة التماسات‪ ،‬والناقلية الحرارية الجيدة للمعادن املستعملة‬ ‫في التماسات ستسهل صرف هذه الحرارة الزائدة إلى املعادن املتصلة بها واملحيط الخارجي وتقلل من‬ ‫إمكانية التصاق سطوح التماس‪.‬‬ ‫‪ -‬قلة إمكانية التصاق سطوح التماس‪ :‬من الواضح أن االجهادات امليكانيكية (القوى الضاغطة على‬ ‫التماسات) والحرارة الزائدة قد تئدي إلى انصهار موضعي للتماسات‪.‬وبالتالي فإن تجمد هذه املواد‬ ‫املنصهرة والتحامها مع بعض سيعيق عملية فتح التماسات أي إبطال وظيفة القاطع‪.‬وقد تبين أن مساحة‬ ‫ً‬ ‫ً‬ ‫االلتصاق للتماسات تتناسب طردا مع املقاومة النوعية للمعدن ومع مربع التيار وعكسا مع الناقلية‬ ‫الحرارية ودرجة االنصهار‪.‬‬ ‫‪ -‬املتانة امليكانيكية العالية والثبات الكيماوي‪ :‬للحصول على مقاومات تماس ضعيفة يتوجب ان تكون‬ ‫القوة الضاغطة على سطحي التماس كبيرة نوعا ما‪.‬هذه القوة وبوجود حرارة قد تصل باملعدن إلى حد‬ ‫‪14 | P a g e‬‬ ‫التشوه البالستيكي له‪.‬لذا يتوجب أن تتوفر في هذه املعادن املتانة امليكانيكية املناسبة لتحمل مثل هذه‬ ‫اإلجهادات‪.‬واضافة لذلك فإن الثبات الكيماوي الطويل األمد ضروري لضمان حس أداء القواطع‪.‬حتى‬ ‫بعض املعادن الثمينة كالفضة مثال تتأثر في األجواء الحاوية على الكبريت ويتشكل على سطحها مادة‬ ‫سلفيد الفضة ذات الناقلية السيئة‪.‬‬ ‫‪.4.1‬المعادن الصافية في التماسات الكهربائية‪.‬‬ ‫‪ ‬الفضة‪ :‬وهو أفضل ناقل كهربائي بين املعادن‪.‬سيئاته تفاعله مع الكبريت وتشكل سلفيد الفضة س يء‬ ‫الناقلية‪.‬كما رأينا إمكانية انتقال املادة عند مرور تيار كهربائي مستمر عبر تماسات مصنوعة منه‪.‬لهذا يتم‬ ‫استعمالها بشكل صاف في تماسات الحواكم وللتيارالضعيف‪.‬‬ ‫‪ ‬الذهب‪ :‬ناقل جيد للحرارة والكهرباء‪.‬إال انه بشكله الصافي طري ويميل الى االلتصاق لذا ال يستعمل اال‬ ‫كخليطة‪.‬‬ ‫‪ ‬البالتين‪ :‬سهل التصنيع على البارد كالسحب والتصفيح وثابت كيماويا إال انه ذو ناقلية نوعية منخفضة‬ ‫نسبيا وال يستعمل البالتين إال كخليطة‪.‬‬ ‫خالئط التماسات الكهربائية‬ ‫‪.4.2‬‬ ‫‪ o‬خالئط النحاس‪ :‬يضاف الى النحاس الفضة بنسبة ‪2-0%‬والكاديوم بنسبة ‪ %1.5‬للحصول على خليطة‬ ‫برونزالفضة الخاصة للتماسات والتي تتمتع بمتانة ميكانيكية ومرنة و أفضل من النحاس الصافي‪.‬‬ ‫‪ o‬خالئط الفضة‪ :‬إلعطاء الفضة صالبة أكبر يضاف النحاس بنسبة ‪ %4-3‬وتسمى هذه الخليطة بالفضة‬ ‫الصلبة‪.‬كما أن مشاكل االلتصاق و انتقال املادة في الفضة يمكن التغلب عليها بإضافة أوكسيد‬ ‫الكادميوم‪.‬أما بالنسبة ل البالديوم فيزيد من قساوة الفضة ويقلل من تأثيرمركبات الكبريت عليه‪.‬‬ ‫‪ o‬خالئط الذهب والبالتين‪ :‬يضاف الفضة والنحاس والنيكل والكوبالت الى الذهب لتحسين متانته‬ ‫امليكانيكية وتقليل االلتصاق وتؤمن هذه الخالئط مقاومات تماس منخفضة حتى من اجل قوى ضاغطة‬ ‫ضعيفة على التماسات‪.‬‬ ‫‪.5‬المواد فائقة التوصيل‪:‬‬ ‫هي موصالت كهربائية ال يواجه التيار فيها أي مقاومة‪ ،‬حيث يتم خفض درجة حرارتها لدرجة منخفضة مما يسمح‬ ‫ً‬ ‫بمرور تيار كهربائي كبير جدا‪.‬التيار لن يحتاج لقوة دفع كهربائية إال ملرة واحدة فقط بعدها يستمر مرور التيار ملدة‬ ‫طويلة جدا‪.‬حيث وجدنا أنه عند تبريد الزئبق للدرجة ‪ 296Co=4ko‬أي حرارته صفر نالحظ استمرار مرور التيارحتى‬ ‫بعد فصل القوة املحركة الكهربائية‪.‬األملنيوم يتحول لفائق التوصيل عند تبريده ل ‪ 1ko‬والقصدير ل ‪.2ko‬بعض‬ ‫املواد السيراميكية والخزفية عند تبريدها لدرجات أعلى عندها التبريد يكسبها خواص جديدة‪.‬يبين الشكل (‪)8-1‬‬ ‫العالقة للحقل املغناطيس ي ودرجة الحرارة‪.‬والتفسير في ذلك يعود إلى أنه عند درجات الحرارة املنخفضة ال تتحرك‬ ‫‪15 | P a g e‬‬ ‫األيونات املوجية بسبب كتلتها الثقيلة وبالتالي ال تعيق حركة اإللكترونات الحرة وبالتالي يمر التيار بمقاومة أقل ما‬ ‫يمكن‪.‬أما مع ارتفاع درجة الحرارة تزداد الطاقة الحرارية لأليونات املوجبة وتتصادم مع اإللكترونات السالبة‬ ‫فتعيق حركتها بشكل كبير‪.‬ال يمكن أن نجد مواد فائقة التوصيل بدرجة حرار ة الغرفة‪.‬و إنما يجب ان تغمر بمواد‬ ‫مبردة غالية وتتبخربسرعة‪.‬‬ ‫تم اكتشاف املوصلية الفائقة من قبل هايك كامرلينج اونيس في جامعة ليدن هولندا عام ‪. 1911‬هنالك نوعان‬ ‫من املوصالت الفائقة املعروفة بالنوع االول والنوع الثاني‪:‬‬ ‫‪ ‬املوصالت الفائقة النوع األول‪:‬‬ ‫تحتوي على موصالت فائقة ناعمة عادة تكون عينات نقية من بعض العناصر (اي املعادن) وتستخدم بنسبة‬ ‫قليلة في التطبيقات التقنية‪.‬هناك حوالي ‪ 30‬عنصرا في الجدول الدوري تندرج تحت فئة املوصالت الفائقة من‬ ‫ً‬ ‫ً‬ ‫النوع األول‪.‬حيث أنها تظهر انتقاال حادا للغاية إلى حالة فائقة التوصيل ومغناطيسية "مثالية" – أي القدرة على‬ ‫صد املجال املغناطيس ي تماما‪.‬األمثلة الشائعة للموصالت الفائقة من النوع األول هي املعادن النقية‪ ،‬مثل‬ ‫األلومنيوم والرصاص والزئبق‪.‬‬ ‫‪ ‬املوصالت الفائقة النوع الثاني‪:‬‬ ‫هي موصالت عالية الصالبة وتكون عادة سبائك من املعادن ذات قيمة عالية للمقاومة في الحالة الطبيعية وهي‬ ‫أكثرفائدة مقارنة بالنوع األول‪.‬‬ ‫الشكل (‪ )8-1‬العالقة للحقل املغناطيس ي ودرجة الحرارة‬ ‫حيث‪:‬‬ ‫𝐒‪ :‬يو افق حالة النقل بناقلية العظمى ‪.Superconductor‬‬ ‫𝐍‪ :‬يو افق الحالة الطبيعية للمعدن‪.‬يختفي املجال الحرج عندما يقترب 𝑻 من 𝒄𝑻‬ ‫‪16 | P a g e‬‬ ‫التيار الحرج ‪ :Ic Critical current‬هو التيار األعظمي الذي يمكن أن يمر في الناقل دون ضياعات ويكون الناقل في‬ ‫الحالة‪ Superconductor‬أعلى ناقلية‪.‬‬ ‫𝒄𝑰‪ :‬يعتمد على املجال املغناطيس ي الخارجي الذي يتعرض له‪Superconductor.‬‬ ‫التيار الحرج يعتمد على الحقل املغناطيس ي الخارجي الذي يتم اختباره من قبل الـ ‪ Superconductor‬وقيمته‬ ‫املتوقعة‬ ‫) 𝟐‪ 𝟏𝟎𝟔 − 𝟏𝟎𝟖 (𝑨𝟐 ∙ 𝒄𝒎−‬باالعتماد على حرارة العينة‪.‬‬ ‫في الو اقع أصغر بكثير من القيمة املثالية بسبب التدفق املغناطيس ي الذي يخترق الـ‪. Superconductor‬في‬ ‫الحقول األقل من ال 𝒄𝑯‪.‬‬ ‫يتم تصنيف الـ ‪ Superconductor‬إلى نوعين‪:‬‬ ‫النوع الثاني‪:‬‬ ‫النوع األول‪:‬‬ ‫الذي يكون فيه التدفق املغناطيس ي أقل‬ ‫الذي يحتوي على ‪ Ic‬كما شاهدنا في األعلى‪.‬‬ ‫حيث يكون 𝑐𝐻 < 𝐻‪.‬‬ ‫من الخصائص املغناطيسية املهمة للموصل الفائق السائب هو مجاله الحرج الديناميكي الحراري 𝐜𝐇 في املواد‬ ‫العادية‪ ،‬تخترق املجاالت املغناطيسية بتوهين بسيط فقط‪ ،‬في عام ‪ 1933‬وجد مايسنر وأوكسنفيلد أنه عندما يتم‬ ‫تبريد موصل فائق إلى درجة حرارة أقل من 𝒄𝑻 في مجال مغناطيس ي ضعيف‪ 𝐇 < 𝐇𝐜 ،‬يتم طرد املجال‬ ‫املغناطيس ي داخل املوصل الفائق‪.‬‬ ‫يطلق على هذا الطرد للمجاالت املغناطيسية اسم النفاذية املغناطيسية‪ ،‬وهي خاصية أساسية للموصالت‬ ‫الفائقة‪.‬ويسمى التأثير تأثير مايسنر‪.‬يمكن تحقيق هذه الخاصية بسهولة في مواد ‪ ،HTS‬حيث يتم تبريد عينة كبيرة‬ ‫من املوصل الفائق في طبق يحتوي على النيتروجين السائل ويتم وضع املغناطيس فوق املوصل الفائق‪.‬ألن‬ ‫التيارات الفائقة الغربلة تتدفق في طبقة سطحية رقيقة من العينة‪ ،‬مما يؤدي إلى إلغاء املجال الخارجي ً‬ ‫تماما من‬ ‫ً‬ ‫ً‬ ‫صفرا‪.‬ومع ذلك‪ ،‬فإن املغناطيس يرى مجاال‬ ‫املغناطيس‪ ،‬املجال املغناطيس ي داخل املوصل الفائق يساوي‬ ‫متساو في القوة وله قطب مشابه مما يؤدي إلى تنافر املغناطيس من املوصل‬ ‫ً‬ ‫مغناطيسيا من املوصل الفائق‪ ،‬وهو‬ ‫ٍّ‬ ‫الفائق‪.‬يؤدي هذا إلى االرتفاع املغناطيس ي كما هو موضح في الشكل (‪.)9-1‬‬ ‫‪17 | P a g e‬‬  ‫الشكل (‪ )9-1‬صورة توضح ارتفاع مغناطيس بوريد النيوديميوم الحديدي فوق عينة كبيرة من مادة فائقة‬ ‫التوصيل ذات درجة حرارة عالية تعرف باسم ‪ YBCO‬يتم تبريد املوصل الفائق إلى ‪ 77‬كلفن بواسطة النيتروجين‬ ‫السائل وهذا مثال على تأثيرمايسنر‪.‬‬ ‫لكن في بعض املجاالت 𝐜𝐇 > 𝐇‪ ،‬تكون حالة التوصيل الفائق غير مستقرة ويحدث انتقال إلى الحالة الطبيعية‬ ‫بمقاومة محدودة‪.‬يتم إعطاء عالقة تجريبية تصف اعتماد ‪ Hc‬على درجة الحرارة بواسطة‪:‬‬ ‫] 𝟐)𝐜𝐓‪𝐇𝐜(𝐓) = 𝐇𝐜(𝟎)[𝟏 − (𝐓/‬‬ ‫ً‬ ‫مع كون )𝟎(𝐜𝐇 هي قيمة العناصرالتي تكون عادة أقل من ‪103 Oe.‬‬ ‫)‪amperes metre-1=1.257x 10-2 oersted (1 oersted=103/4π Am-1‬‬ ‫باختصار يمكننا القول‪ :‬تظهر املوصالت الفائقة ميزات فريدة بخالف قدرتها على توصيل التيار بشكل مثالي‪.‬على‬ ‫سبيل املثال‪ ،‬يطرد العديد منها الحقول املغناطيسية أثناء التحول إلى الحالة الفائقة‪.‬يعود ذلك إلى تأثير مايسنر‬ ‫حيث تنش ئ املواد الفائقة املوصلة تيارات كهربائية قرب سطحها عند درجة حرارتها الحرجة‪ ،‬وبالتالي يتم إلغاء‬ ‫الحقول داخل املادة نفسها‪.‬يظهر هذا التأثير عند وضع مغناطيس ثابت على موصل فائق‪ :‬عندما يبرد املوصل‬ ‫الفائق ألسفل درجته الحرجة‪ ،‬يتسبب طرد التدفق املغناطيس ي من املوصل في رفع املغناطيس فوق املادة‪.‬‬ ‫أمثلة على استخدامات النو اقل فائقة التوصيل‪:‬‬ ‫‪ o‬في القطارات فائقة التوصيل (ذات الوسادة املغناطيسية)‪.‬‬ ‫ً‬ ‫القطارات املغناطيسية املعلقة )‪ (Magnetically levitating train‬أو ما يعرف اختصارا باملاجليف "‪"Maglev‬‬ ‫وهي اختصار للرفع املغناطيس ي "‪ "Magnitic levitation‬هي عبارة عن قطار يعمل بقوة الرفع املغناطيسية‪ ،‬أي أنه‬ ‫يعتمد في عمله بشكل أساس ي على املغناطيس‪ ،‬ويتميز هذا القطار بأنه ال يحتوي على محركات ميكانيكية وال‬ ‫يستطيع السير على القضبان الحديدية‪ ،‬لذلك فهو يطفو في الهواء وذلك باالعتماد على الوسادة املغناطيسية التي‬ ‫‪18 | P a g e‬‬  ‫ً‬ ‫تعمل على تشكيل مجاالت كهرومغناطيسية قوية‪ ،‬و أكثر ما يميز هذا النوع من القطارات أن سرعته مرتفعة جدا‪،‬‬ ‫حيث أنها من املمكن أن تصل إلى ‪ 550‬كم في الساعة الواحدة‪.‬‬ ‫طريقة عمل القطارات املغناطيسية‬ ‫من املعروف بأنه عندما يكون لدينا مغناطيسين وعند القيام بتقريبهما من بعضهما البعض‪ ،‬فإننا نالحظ حدوث‬ ‫التجاذب بين األقطاب املختلفة‪ ،‬أي أن التجاذب يحدث بين األقطاب (‪ )+‬و (‪ ،)-‬بينما يحدث التنافر بين األقطاب‬ ‫املتشابهة أي (‪ )+‬و(‪)+‬؛ أو (‪ )-‬و(‪ ،)-‬حيث أن كل مغناطيس يعمل على توليد مجال مغناطيس ي يؤثر به على‬ ‫املغناطيس اآلخر‪ ،‬وبالتالي نستطيع تعليق األشياء‪ً.‬‬ ‫وبناء على ذلك تم تطوير وتصنيع هذا النوع من القطارات‪ ،‬ويتم‬ ‫ً‬ ‫تصميم القطار املغناطيس ي وفقا إلحدى التقنيتين‪ ،‬إما نظام التعليق الكهروديناميكي أو نظام التعليق‬ ‫الكهرومغناطيس ي‪ ،‬الشكل (‪.)10-1‬‬ ‫نظام التعليق الكهروديناميكي‬ ‫‪ -‬هذه التقنية تعتمد بشكل أساس ي على قوى التنافر التي يتم توليدها بين املجالين املغناطيسيين اللذين‬ ‫يملكان نفس الشحنة‪.‬‬ ‫‪ -‬ويكون ذلك بهدف رفع القطار فوق سكة الحديد‪ ،‬فيما يكون قد تم تصميم مغناطيسات قوية يتم تثبيتها‬ ‫في أسفل القطارتهدف إلى توليد أحد املجاالت املغناطيسية‪.‬‬ ‫‪ -‬بينما يتم توليد املجال اآلخر عن طريق مجموعة لفائف أسالك من موصالت فائقة التوصيل‪ ،‬بحيث‬ ‫تكون مثبته على جدران سكة الحديد الخاصة به‪.‬‬ ‫‪ -‬ويؤثر ارتفاع درجة حرارة املوصالت على التيار الكهربائي لذلك فإنه يتم وضعها في أوعية مكونة من‬ ‫النيتروجين السائل‪.‬‬ ‫ً‬ ‫ً‬ ‫‪ -‬وبناء على ذلك فإن القطار عندما يسير بسرعة منخفضة فإنه ينتج تيارا يكون غير كافيا لجعل القطار‬ ‫يسير في ارتفاع ثابت‪.‬‬ ‫‪ -‬وهذا ما جعل املصممين يدعمون القطار بعجالت من األسفل‪ ،‬بحيث تساعده على الحفاظ على ثباته إلى‬ ‫أن يصل إلى السرعة التي تضمن سيره بثبات‪.‬‬ ‫‪19 | P a g e‬‬  ‫الشكل (‪)10-1‬‬ ‫نظام التعليق الكهرومغناطيس ي‬ ‫تعتمد هذه التقنية بشكل أساس ي على قوى التجاذب املغناطيس ي‪.‬‬ ‫*‬ ‫* حيث أنه تم لف الجزء السفلي من القطاروالذي يحتوي على مغناطيسات موجودة تحت طرفي سكة الحديد‪،‬‬ ‫بحيث تقوم املجاالت املغناطيسية التي تتولد على رفع القطارعن السكة وذلك ما مسافته حوالي ‪ 15‬ملم‬ ‫(‪1.5‬سم)‪.‬‬ ‫* هذا ساعد القطارعلى الحركة بسهولة‪.‬‬ ‫* وقد تم تدعيم القطارات ببطاريات تمتازبأنها ذات قوة عالية‪.‬‬ ‫* تساعد هذه البطاريات على البقاء في الهواء في حال تم فقدان الطاقة على سكة الحديد وذلك حتى يستطيع‬ ‫التوقف بسالم‪.‬انظرالشكل (‪.)11-1‬‬ ‫الشكل (‪)11-1‬‬ ‫‪20 | P a g e‬‬  ‫أفق ومستقبل القطاراملغناطيس ي‬ ‫بالرغم من أن القطار املغناطيس ي يعتبرمن أفضل وسائل النقل من حيث السرعة والهدوء واألمان إال أنه لم ينتشر‬ ‫في مدن العالم‪ ،‬ويرجع السبب في ذلك لثمنه الباهظ‪ ،‬حيث تصل التكلفة اإلجمالية لعمل مثل هذا القطار إلى أكثر‬ ‫من مليار دوالر أمريكي‪ ،‬باإلضافة إلى كون القطارات الكهربائية املتطورة قد تفي بالغرض‪ ،‬حيث أنها ذات سرعات‬ ‫مقاربة لسرعة القطاراملغناطيس ي ولكن بتكلفة أقل بكثيرمن القطاراملغناطيس ي‪.‬‬ ‫‪ o‬في التطبيقات الطبية‪ :‬في جهازالرنين املغناطيس ي‪.‬‬ ‫فحص الرنين املغناطيس ي من املمكن أن يستغرق حوالي ‪ 20‬إلى ‪ 30‬دقيقة‪ ،‬و أثناء هذا الفحص يتم إدخال‬ ‫الشخص لداخل مغناطيس كبير وقوي يمكنه أن يصل إلى قوة مغناطيسية أعلى ‪ 30.000‬مرة من قوة حقل الكرة‬ ‫األرضية‪.‬‬ ‫بواسطة أجهزة بث الراديو التي توضع في غرفة التصوير بالرنين املغناطيس ي يمكن في نقطة معينة تغيير اتجاه‬ ‫املجال املغناطيس ي‪ ،‬وبعد ذلك يقوم الفاحصون بإيقاف البث وعندها يطلق الجسم الطاقة مرة أخرى التي دخلت‬ ‫إليه على شكل بث عائد‪ ،‬ومن خالل املعلومات العائدة وبواسطة كاشفات أمواج الراديو املتطورة فإن الفاحصون‬ ‫يستطيعون بناء صورة تظهرتشريح الجسم وتكشف العمليات غيرالطبيعية داخل الجسم‪ ،‬انظرالشكل (‪.)12-1‬‬ ‫الشكل (‪)12-1‬‬ ‫‪ o‬اآلالت الكهربائية‪:‬‬ ‫تبذل جهود في الوقت الحاضر لتطويراآلالت الكهربائية واملحوالت باستخدام املوصالت فائقة التوصيل‪.‬حيث‬ ‫تظهر الحسابات أنه إذا استطعنا استخدام املواد فائقة التوصيل باإلضافة إلى املغناطيس ذو الحقل‬ ‫‪21 | P a g e‬‬ ‫املغناطيس ي القوي التي يتم إنتاجها بالفعل‪.‬بمكن تصنيع مولدات كهربائية ومحوالت في حجم صغير بشكل‬ ‫استثنائي وبكفاءة تصل إلى ‪.%99.99‬‬ ‫‪ o‬كابالت الطاقة‬ ‫ً‬ ‫سيتيح استخدام مادة فائقة التوصيل في تشكيل كابالت الطاقة نقل الطاقة ملسافات طويلة جدا باستخدام‬ ‫قطربضع سنتيمترات دون أي خسارة أو انخفاض ملحوظ في الجهد‪.‬‬ ‫‪ o‬املغناطيسات الكهربائية‬ ‫تم إنتاج ملفات حلزونية فائقة التوصيل ال تنتج أي حرارة أثناء التشغيل‪.‬ومع ذلك‪ ،‬يجب مالحظة أن‬ ‫التوصيل الفائق يمكن تدميره إذا تجاوز املجال املغناطيس ي قيمة حرجة‪.‬يمكن تصميم مغناطيس كهربائي‬ ‫باستخدام التوصيل الفائق لالستخدام في املختبرات ولألجهزة ذات درجة الحرارة املنخفضة مثل جهازالليزر‪.‬‬ ‫يمكن مالحظة الشكل التالي‪:‬‬ ‫‪22 | P a g e‬‬  ‫الفصل الثاني‪ :‬املواد العازلة‬ ‫تصنع مواد العزل للحفاظ على مكونات ومنشآت املبنى ألطول فترة ممكنة‪.‬وهناك أنواع عديدة من مواد العزل‬ ‫ً‬ ‫وفقا للغرض والبنية‪.‬‬ ‫أنواع العوازل‬ ‫‪.1‬العوازل الحرارية‬ ‫‪.2‬العوازل الصوتية‬ ‫‪.3‬العوازل املقاومة للماء‬ ‫‪.4‬العوازل اإلشعاعية‬ ‫‪.5‬العوازل الكهربائية‬ ‫العوازل الكهربائية‪ :‬تحتوي أي مادة على عدد من الذرات‪.‬تحتوي هذه الذرات على بعض اإللكترونات في املدار‬ ‫الخا جي تسمى "اإللكترونات الحرة"‪.‬من السهل ً‬ ‫جدا طرد اإللكترونات الحرة من املدار الخارجي وجعلها تتحرك إلى‬ ‫ر‬ ‫ذرة أخرى‪.‬يطلق على تدفق اإللكترونات من ذرة إلى أخرى "التيار الكهربائي"‪.‬ال تسمح بعض املواد بتدفق التيار‬ ‫الكهربائي‪ ،‬لذلك تسمى "عوازل"‬ ‫مثل‪ :‬الخشب والبالستيك والسيراميك‪.‬السبب الرئيس ي وراء تقييد هذه املواد للتدفق الكهربائي هو أن بنيتها‬ ‫ً‬ ‫الذ ية تحتوي على عدد صغير ً‬ ‫جدا من اإللكترونات الحرة القابلة للتحرك‪.‬ال يزال املجال الكهربائي نشطا حتى في‬ ‫ر‬ ‫مادة عازلة‪ ،‬حيث يحدث خلل وتنجذب الشحنات املوجبة إلى املجال الكهربائي بينما تتحرك الشحنات السالبة‬ ‫ً‬ ‫بعيدا‪.‬هذا الفصل بين الشحنات الكهربائية يولد "ثنائي القطب" والعملية املقابلة تسمى "االستقطاب"‬ ‫هناك العديد من أنواع العوازل في األنظمة الكهربائية ألغراض واستخدامات مختلفة‪.‬على سبيل املثال‪ ،‬يستخدم‬ ‫البالستيك لتغطية األسالك الكهربائية للحماية من الصدمات الكهربائية‪.‬العديد من األمثلة األخرى ملواد العزل‬ ‫الكهربائي مثل‪ :‬املطاط والخشب والسيراميك والورق والزجاج والزيوت‪.‬‬ ‫‪23 | P a g e‬‬ ‫تتميزالعوازل بأن لها قيمة مقاومة كهربائية نوعية أعلى بكثيرمقارنة باملواد الناقلة وغيرها من املواد األخرى‪.‬حيث‬ ‫نجد بأن القيمة الحدية للمقاومة الكهربائية النوعية للمواد العازلة تقع في حدود ‪ 10‬أوم وما فوق‪.‬‬ ‫ً‬ ‫أما ثابت العزل 𝒓𝜺 للمواد العازلة الصلبة والسائلة فهو يتراوح بين ‪ 2‬و‪ ،0‬علما أنه تتو افر مواد بقيم أعلى من‬ ‫ً‬ ‫ذلك بكثير(املاء النقي 𝟎𝟖 ⩰ 𝒓𝜺) وهو في الغازات واحد تقريبا‪.‬‬ ‫إن متانة االنهيارالكهربائية ألهم املواد العازلة والصلبة والسائلة تقع على أدنى حد في مجال ‪.100-500 kV‬‬ ‫‪.1‬تصنيف املواد العازلة‬ ‫ً‬ ‫يتم تصنيف املواد العازلة وفقا ل‪:‬‬ ‫البنية الكيميائية‪ :‬إلى مواد عازلة عضوية ومواد عازلة غيرعضوية‬ ‫من حيث املنشأ‪ :‬إلى مواد عازلة طبيعية واصطناعية‪.‬‬ ‫وال بد من التنويه إلى أن هذه التصنيف من املواد العازلة العضوية والغير عضوية قد يتداخل نتيجة لوجود‬ ‫مركبات مشتركة (مثل‪ :‬كليمرورقي موجود ضمن كتلة راتنجية)‪.‬‬ ‫يمكن التمييزبين املواد العازلة العضوية والغيرعضوية وفق‪:‬‬ ‫‪ -‬تتميز املواد العازلة غير العضوية بأنها تتحمل املؤثرات الكيميائية حتى درجات حرارة عالية‪.‬بينما نجد أن‬ ‫ً‬ ‫ً‬ ‫املواد العازلة العضوية نادرا ما تتحمل تسخين مستمر فوق درجة حرارة (‪ )C° 100‬خصوصا عند تعرضها‬ ‫ً‬ ‫لهواء مباشرة وذلك يعود إلى ميل الفحم (العنصراألساس ي في بنية املواد العضوية) الشديد للتأكسد‪.‬‬ ‫ً‬ ‫‪ -‬تعتبر ميزة التحمل الحراري الجيد للمواد العازلة غير العضوية عيب مزعج جدا لكونها وهو عدم ليونة أو‬ ‫مرونة تلك املواد وقابلية انكسارها‪.‬بينما نجد باملقابل أن العديد من املواد العازلة العضوية تتميز‬ ‫بالطراوة والليونة‪.‬‬ ‫‪24 | P a g e‬‬  ‫ً‬ ‫‪ -‬تكون جزيئات املركبات الغير عضوية (في بنيتها الشبكية) غالبا متراصة بشكل كثيف بحيث ال تسمح‬ ‫للرطوبة بالنفاذ منها‪ ،‬بينما ال تجد أي مادة عضوية تمنع نفوذ بخار املاء أو ال تتشرب املاء عند تخزينها في‬ ‫الرطوبة أو جو رطب‪.‬‬ ‫ً‬ ‫‪ -‬بالنسبة للمواد العازلة الغازية العضوية‪ :‬فأنه ال يمكن استخدامها في الحالت العملية نظرا لقابليتها‬ ‫لالحتراق وقابليتها لالنفجارعند امتزاجها بنسب معينة مع الهواء‪.‬‬ ‫‪.1‬املواد العازلة غيرالعضوية‬ ‫املواد الغازية غيرالعضوية‬ ‫‪.1.2‬‬ ‫ً‬ ‫تستخدم الغازات كمواد مالئة للفراغ وهي تتميز بقيم منخفضة جدا لثابت العازلية‪.‬باملقارنة مع العوازل السائلة‬ ‫والصلبة فإن العازل الغازي يعود لوضعه األصلي وإلى صفات عزله األصلية بعد انتهاء عملية االنهيار الكهربائية‬ ‫ً‬ ‫ً‬ ‫وزوال القوس الكهربائي مباشرة‪.‬لذلك فهو يعتبر وسيلة مناسبة أيضا إلطفاء القوس الكهربائي املتكون في‬ ‫ً‬ ‫القواطع أيضا‪.‬كما تتميزالعوازل الغازية بعدم تأثرها بوجود شوائب فيها‪.‬‬ ‫الهواء‬ ‫‪‬‬ ‫ً‬ ‫ً‬ ‫يعتبر الهواء من أرخص العوازل الكهربائية ولوال متانته الكهربائية املنخفضة نسبيا لكان يمكن أن يكون عازال‬ ‫ً‬ ‫مثاليا‪.‬وهذه املتانة يمكن زيادتها بزيادة الضغط‪.‬لكنها تصل إلى قيم حدية (اشباع) عند قيم ضغط عالية‪.‬وتكون‬ ‫هذه القيم الحدية أقل كلما كانت املسافة بين مساري التوتر السائد أصغر‪.‬وهذا ما يسبب صعوبات كبيرة عند‬ ‫تصميم تجهيزات التوتر العالي املحددة األبعاد والتي تستخدم الهواء املضغوط في العزل‪.‬لذلك لم تثبت الكوابل‬ ‫واملحوالت التي يستخدم فيه الهواء املضغوط للعزل جدارتها‪.‬أما في مجال تصميم وبناء القواطع الكهربائية فقد‬ ‫استطاع الهواء املضغوط أن يتميز عن الزيوت العازلة حتى عند التوترات العالي‪ ،‬وذلك ألنه الهواء املندفع يساعد‬ ‫في إطفاء القوس الكهربائي املتشكل في تلك القواطع‪.‬‬ ‫ً‬ ‫من مساوئ استخدام الهواء في العزل وخاصة عند استخدامه مع مواد عازلة أخرى عضوية (سائلة أو صلبة)‪:‬‬ ‫ينتج عن الوميض (التفريغ الكهربائي) الذي يحدث في محيط املادة العازلة العضوية غازات مخربة وشديدة‬ ‫ً‬ ‫الفعالية مع املواد العضوية‪ ،‬وبسبب الناقلية الحرارية الضئيلة للهواء وخاصة عندما تتحدد حركته في األجواء‬ ‫املغلقة‪ ،‬نجد أن األوكسجين املوجود في الهواء ينشط نتيجة لعملية االنفراغ الكهربائي‪.‬‬ ‫ً‬ ‫لكي نتفادى األكسدة وتكون غاز األوزون وغازات نيتروزية فأنه يمكننا أن نستخدم ?