تأثيرات العوازل

يتغير قانون كولوم عندما تغمر الشحنات داخل عازل ؛ ولكي نتعرف على سبب حدوث ذلك علينا الرجوع إلى الشكل ((1 ؛ حيث نرى كرة شحنتها q مغمورة داخل عازل يمتد لمسافات بعيدة في جميع الاتجاهات ــ أو بمعنى آخر ــ عازل لا نهائي بالضرورة. لاحظ كيف تستحدث الكرة شحنة على سطح العازل المجاور لها. وهذه الشحنة المستحثة تلغى فعلياً بعض الشحنة الموجودة على الكرة. . وهكذا ينخفض المجال الكهربي داخل العازل من القيمة E = (kq/r²) التي تنطبق في حالة الفراغ. ويخفض العازل من قيمة المجال بمعامل مقداره (1/k) ، أي أن المجال داخل العازل يكون:

 (1)    

وهذا هو المجال الكهربي لشحنة نقطية مغمورة داخل عازل.

افترض الآن أن شنتين هما q₁ وq₂ تفصلهما مسافة مقدارها r قد غمرتا داخل عازل لا نهائي. إن المجال الخاص بالشحنة q₁ عند موقعq₂  يعطى بالمعادلة(1) عند وضع q₁ مكان q. ويتسبب هذا المجال في وجود قوة مقدارها Eq₂ تؤثر على q₂ ، وهكذا فإن القوة المؤثرة على q₂ بسبب وجود q₁ هي :

(2)     

وهذا هو قانون كولوم بالنسبة لشحنات نقطية داخل عازل لا نهائي.

وحيث أن العازل يؤثر بشدة على القوى بين الشحنات ، لذا كانت التفاعلات الكيميائية والبيلوجية شديدة الاعتماد على المذيبات. فأيونات ، مثلاً، في محلول ما يؤثران بقوى تتمثل في المعادلة (2) على أحدهما الآخر. والماء له K = 81 ولهذا فإن القوة بين الأيونيين تكون أقل كثيراً في الماء عنها في سائل آخر كالبنزين مثلاً ، الذي ثابت عزله K = 2.3 نتيجة لهذا فأيونا الصوديوم Na⁺ والكلور Cl^- المكونان لكلوريد الصوديوم ، يمكن ان يهربا من بعضهما في الماء بينما لا يستطيع ذلك في البنزين. ومن ثم فإن الماء يذيب NaCl اما البنزين فلا يستطيع. وهناك العديد من المواقف المماثلة في المنظومات كيمائية وبيولوجية حيث يقوم ثابت العزل للمذيب يدور حاسم في التفاعلات الكيميائية.

إن معظم المكثفات مصنوعة بحيث توجد مادة عازلة بين ألواحها. ولا يزيد هذا من متانة هيكلها فحسب وإنما يرفع أيضاً من سعتها.

سنبدأ بشحن مكثف متوازي اللوحين بالشحنات +q و -q على اللوحين. وسنفترض أن هناك فراغاً فقط بين اللوحين ، وأن C_vac هي سعة المكثف تحت هذه الظروف. وفرق الجهد أو الفولطية بين اللوحين هي V_vac = q/C_vac دعنا الآن ندخل شريحة عازل فإن الشحنات لا يمكن أن تتحرك عبر الحدود بين المادتين. والمجال بين اللوحين قد انخفض الآن بمقدار (1/K) أي E = E_vac/K وهذا بدوره يخفض فرق الجهد بين اللوحين:

ولكن الشحنة الموجودة على اللوحين لا تتغير عند إدخال العازل. ولهذا فإن نسبة الشحنة إلى فرق الجهد أو السعة تكون الآن:

 (3)                    

وهكذا فإن نفس اللوحين ، بنفس المسافة التي تفصلهما ، يصبحان قادرين على اختزان المزيد من الشحنة لكل فولت عندما يوجد عازل بينهما.

وهناك وسيلة بسيطة لقياس ثابت العزل لمادة ما وذلك بقياس فرق الجهد عبر اللوحين المشحونين في الفراغ ثم يعاد القياس بعد ملء الحيز بينهما بالعازل. وبالنسبة بين هاتين القيمتين لفرق الجهد هي ثابت العزل K: