منذ مراحنا في الإعدادية، تعلمنا أن الخشب والعديد من الأشياء المعروفة باسم العوازل لا تملك القدرة على نقل الكهرباء، فرسخنا المعادلة ورميناه في احدى رفوف ذاكرتنا، دون أن نتسائل السؤال الأهم؟
وهو لماذا لا يمكن للخشب والمواد العازلة الأخرى أن تنقل التيار الكهربائي؟ وماهي الميزة التي تجعلها غير قادرة على ذلك؟
لفك هذه الشيفرة استرجع ملف الخشب من ذاكرتك، وتعالى نصححه معاً في هذا المقال ونبعد عنك تلك المغاطات السابقة التي قد سمعتها أو كنت تعتقدها.
 |
| لماذا لا ينقل الخشب الكهرباء؟ |
مما يتكون الخشب؟
الخشب منتج طبيعي يعتبر كأحد أكثر المواد المتاحة تنوعًا وجمالًا، حيث يوفر حلًا مستدامًا طويل الأمد للعديد من التطبيقات التي لا حصر لها.
يصنف الخشب كمادة عضوية تستخرج من الأشجار البالغة، ومورد طبيعي مهم يتألف من تراكيب أساسية هي: اللجنين، والهيميسليلوز، والسليلوز، والمستخلصات أخرى.
نسيجه البنيوي الليفي والصلب يتواجد في سيقان وجذور الأشجار والنباتات الخشبية الأخرى. وقد تم استخدامه منذ آلاف السنين للوقود وكمواد بناء. قوة هذا المركب الطبيعي تتمثل في المزيج بين ألياف السليلوز (القوية في التوتر) المضمنة في مصفوفة من اللجنين مقاومة الانضغاط.
تركيب الخشب من الناحية الكيميائية
يختلف التركيب الكيميائي للخشب من نوع لآخر، ولكنه يتكون تقريبًا من:
- 50٪ كربون.
- 42٪ أكسجين.
- 6٪ هيدروجين.
- 1٪ نيتروجين.
- 1٪ عناصر أخرى (بشكل أساسي الكالسيوم، والبوتاسيوم، والصوديوم، والمغنيسيوم، والحديد، والمنغنيز).
كما يحتوي أيضًا على الكبريت والكلور والسيليكون والفوسفور وعناصر أخرى بكميات صغيرة.
تصنيف الخشب
يصنف الخشب إلى نوعين:
- أخشاب صلبة.
- أخشاب لينة.
ينعكس الاختلاف بين الخشب الصلد والخشب اللين في تركيب اللجنين المكون له. حيث:
- يُشتق خشب اللجنين الصلب بشكل أساسي من كحول سينابيل وكحول كونيفريل.
- يُشتق خشب اللجنين اللين بشكل أساسي من كحول الصنوبر.
تتعلق هذه المصطلحات في الواقع بتصنيف الشجرة النباتي وليس خصائص الخشب، مما قد يسبب بعض الالتباس! وبالتالي فإن التعريفات الواردة أدناه هي مجرد مؤشرات أساسية، فهي ليست موضوعنا لمقال اليوم، فان أردت معرعة المزيد عن تصنيفات أفضل أنواع الخشب وأجودها لدينا مقال كامل عنها.
لماذا لا يقوم الخشب بتوصيل الكهرباء؟
لفهم هذا، يجب أن نفهم أولاً ما هي الكهرباء وكيف يتم توصيلها. فربما قد سمعت يوماً أن الكهرباء هي تدفق الشحن. لكن ما هي هذه التهمة المنتسبة اليها؟
حسناً، سأجيبك. هناك ثلاثة أنواع من الجسيمات الذرية موجودة داخل كل ذرة، وهي:
- نيوترونات محايدة.
- بروتونات موجبة.
- إلكترونات سالبة.
فماهي هذه البنيات الثلاثة؟
ربما يعلم أغلبكم هذه البنية، لكن سأحاول تبسيط الأمر لمن لا يسرون برؤية الفزياء:
- البروتونات والنيوترونات: هي عناصر تقبع داخل محيط النواة الذرة، وليس لها القدرة على الحركة.
- الإلكترونات: هي عناصر تقع خارج محيط النواة، أخف الجسيمات الذرية وزناً، ولها حرية الحركة حول نواة الذرة.
الآن نأتي للسؤال الأهم، لماذا لا تنقل العوازل الكهرباء؟
تلعب حركة الالكترونات السالبة الشحنة دوراً مهماً في توصيل الكهرباء. وهذا بمبدأ التنافر والانجذاب مع بقية الذرات المجاورة.
فعندما يتم تطبيق جهد كهربائي عبر مؤثر خارجي ما، تبدأ الإلكترونات في التحرك من الطرف السالب إلى الموجب مما يؤدي إلى توصيل الكهرباء. وهذا ما يتحكم فيما إذا كانت المادة ستتصرف كموصل أو عازل بالاعتماد على حركة الإلكترونات المسموح بها في ذراتها.
تعتمد حركة الإلكترونات بدورها على القوة التي ترتبط بها هذه الإلكترونات بذراتها.
على سبيل المثال، في حالة المعادن، فإن الإلكترونات الخارجية مرتبطة بشكل فضفاض بنواة ذراتها وتكون حرة في التحرك حول الذرات الأخرى، والمعروفة أيضًا باسم الترابط المعدني. هذه الخاصية تجعل المعادن موصلات جيدة للكهرباء.
من ناحية أخرى، فإن الخشب عبارة عن مزيج من مجموعة متنوعة من المركبات مثل السليلوز واللجنين وما إلى ذلك.هذا الوضع يجعل عدد من الجزيئات المختلفة بالقرب من بعضها البعض.
يفتقر الخشب إلى الإلكترونات الحرة لتمرير تيار كهربائي عبرها. ومع ذلك، يمكن للخشب الرطب توصيل الكهرباء إلى حد ما اعتمادًا على أنواع الخشب والجهد المطبق.
يعمل الخشب كعازل لأنه لا يسمح بمرور التيار الكهربائي من خلاله. يتكون الخشب من عدد من الجزيئات مجتمعة معًا. ترتبط الإلكترونات المرتبطة بذرات هذه الجزيئات بإحكام شديد وليست متاحة للتحرك وتوصيل الكهرباء.
ذرات هذه الجزيئات لها إلكترونات التكافؤ مرتبطة بإحكام بنواتها بسبب تقييد حركتها. ومن ثم فإن الإلكترونات الحرة غير متاحة لحمل الشحنة لتوصيل الكهرباء.
وبالتالي، يتصرف الخشب كعازل بعدم توصيله للكهرباء بسبب عدم وجود ناقلات شحن مجانية داخله.
هل يمكن للخشب المبلل توصيل الكهرباء؟
 |
| هل يملك الخشب المبلل القدرة على توصيل الكهرباء؟ |
من الناحية المثالية، من المعروف أنه لا توجد موصلات أو عوازل مثالية. هذا يعني أنه حتى أفضل عازل سيوصل قدرًا من الكهرباء والعكس صحيح.
كما هو مذكور في القسم السابق، يتصرف الخشب كمادة عازلة للكهرباء. هذا يعني عدم مرور أي تيار تقريبًا عبر الخشب عند وضعه في مجال كهربائي.
ومع ذلك، فإن الشحنات الموجبة تتحول قليلاً نحو اتجاه المجال الكهربائي بينما تنحرف الشحنات السالبة قليلاً في الاتجاه المعاكس مما يشير إلى استقطاب كهربائي.
لذلك، يتصرف الخشب كعازل في الظروف الجافة.
من ناحية أخرى، من المعروف أن الخشب الرطب يوصل الكهرباء. ومع ذلك، ليس الخشب هو المسؤول عن هذا التوصيل الكهربائي ولكن الماء الذي يمتصه هو الذي يحتوي على ناقلات شحن مجانية متوفرة في شكل أيونات.
وبالتالي، فإن الماء الذي يحتوي على كميات أكبر من الأملاح والمعادن تعمل كموصل أفضل للكهرباء. ومنه فإن الخشب الرطب يوصل الكهرباء بسبب ناقلات الشحن المجانية التي توفرها جزيئات الماء.
ما العوامل التي تؤثر على التوصيل الكهربائي للخشب؟
كما ناقشنا سابقًا، لا توجد موصلات أو عوازل مثالية. المواد التي يطلق عليها العوازل لا تقوم فقط بتوصيل كمية التيار المطلوبة لاستخدام معين أو في بعض الأحيان للحصول على صدمة كهربائية.
في حالة الخشب، نحن نعلم الآن أن شظية الخشب الجاف لا توصل الكهرباء بينما الخشب الرطب قد يوصل الكهرباء بسبب أيونات الماء. وبالمثل، قد تساعد بعض العوامل الأخرى أيضًا الخشب في التصرف كموصل كهربائي.
هناك عدد من العوامل المسؤولة عن تحديد التوصيل الكهربائي للخشب. وترد أدناه بعض منها:
- درجة الحرارة: كما هو موضح في حالة المعادن، فإن تغير درجة الحرارة له تأثير كبير على التوصيل الكهربائي للمادة. تعمل بعض المواد كموصلات أو عوازل تحت نطاق معين من درجات الحرارة، فمثلا بعض المعادن تصبح ذات ناقلية فائقة عند تبريدها الى درجة حرارة معينة.
- الرطوبة: كما ذكرنا في القسم السابق، الخشب الجاف هو عازل بينما الخشب الرطب قد يوصل الكهرباء. تعتمد الموصلية الكهربائية للخشب أيضًا على جودة المياه وكذلك على مدى الرطوبة التي يمتصها الخشب.
- أنواع الأخشاب: من المعروف أن مجموعة متنوعة من الأخشاب تحدث في الطبيعة. من بين هؤلاء، جميعها لها هياكل وتركيبات مختلفة. لقد لوحظ في عدد من التجارب أن أنواع الخشب التي تحتوي على ألياف أفقية أكثر تتصرف كموصلات أفضل للكهرباء مقارنة بتلك التي تحتوي على عدد كبير من الألياف الرأسية.
- التردد الحالي: الجهد الكهربائي أو تردد التيار عامل مهم للغاية. ففي الواقع، تعمل العوازل كحاجز بين المادتين الموصلتين مما قد تتمكن من قطع تدفق التيار. ومع ذلك، إذا كان الجهد مرتفعًا جدًا، فقد تقوم حتى مادة عازلة للغاية بتوصيل الكهرباء.
- السماكة: كما نوقش أعلاه، يعمل العازل كحاجز في تدفق التيار. ومع ذلك، إذا كانت المادة العازلة مثل الخشب رقيقة جدًا، فقد لا تتمكن من إعاقة تدفق التيار بسبب مرور الكهرباء عبرها. وبالمثل، يؤثر الطول أيضًا على التوصيل الكهربائي. عادة ، الأجسام الأصغر تقدم مقاومة أقل.
- الشوائب: تمامًا مثل الماء، إذا كانت هناك مواد موصلة أخرى على شكل شوائب في مادة خشبية ، فقد تؤثر على توصيلها الكهربائي. على سبيل المثال، بعض العناصر الخشبية المزخرفة مطلية بطبقات معدنية قد تساعد في توصيل الكهرباء عبر الخشب.
موصلية الخشب
الموصلية الكهربائية للمادة، وهي مقياس قدرتها على توصيل الكهرباء. تمثل الموصلية الكهربائية العالية هي خاصية الموصلات. يُشار إليه بالرمز σ ويعطى بوحدة سيمنز لكل متر (S / م).
تُعطى صيغة التوصيل الكهربائي من خلال:
σ = l / RA
أين، R = مقاومة المادة ، A = مساحة المقطع العرضي للمادة، L = طول المادة
لقد ناقشنا بالفعل أن الخشب هو عازل كهربائي، لذلك يجب أن يكون له قيمة منخفضة جدًا من الموصلية الكهربائية. أيضًا، تختلف القيم بالنسبة للخشب الجاف والرطب.
تتراوح الموصلية الكهربائية للخشب الجاف بين 10-16 إلى 10-14 بينما تتراوح الموصلية الكهربائية للخشب الرطب من 10 إلى 10-3 S / م.
وهذا يؤكد أيضًا أن الخشب الرطب هو موصل أفضل للكهرباء مقارنة بالخشب الجاف.
مقاومة الخشب
المقاومة الكهربائية للمادة هي عكس الموصلية الكهربائية مباشرة.
تعتبر القيمة الأعلى للمقاومة الكهربائية مؤشرًا على أن المادة هي عازل. حيث أن مقياس العائق الذي تقدمه المادة للجسيمات المشحونة التي تحمل التيار.
يُشار إليها بالرمز ρ، وتكتب وحدتها على أنها أوم متر (Ω م). تُعطى صيغة المقاومة الكهربائية على النحو التالي:
ρ = RA / لتر
أين، R = مقاومة المادة، A = مساحة المقطع العرضي للمادة، L = طول المادة
نظرًا لأن الخشب ليس موصلًا كهربائيًا، فإنه يتمتع بقيمة عالية من المقاومة الكهربائية. تتراوح قيمة هذه المقاومة للخشب الجاف من 1014 إلى 1016، بينما تتراوح قيمة المقاومة الكهربائية للخشب الرطب بين 103 و 104 ميكرومتر.
ختاماً، لا يوصل الخشب الكهرباء لأنه يتكون من أنواع مختلفة من الجزيئات حيث ترتبط إلكترونات الذرات بقوة بنواتها. نظرًا لعدم توفر حاملات شحن، فإن تدفق الشحنة غير ممكن.
يمكن للخشب المبلل توصيل الكهرباء لوجود الماء والأملاح والمعادن الذائبة. حيث تعمل الأيونات كحاملات شحن وتساعد في توصيل الكهرباء.
تتراوح قيمة الموصلية الكهربائية للخشب الجاف من 10-16 إلى 10-14، بينما تتراوح قيمة التوصيل الكهربائي للخشب الرطب بين 10-4 و10-3 S / m.
تتراوح المقاومة الكهربائية للخشب الجاف من 1014 إلى 1016، بينما تتراوح المقاومة الكهربائية للخشب الرطب من 103 إلى 104 ميكرومتر.
وهذه هي أهم الخصائص والاجابة الكافية الأكثر اقناعاً عن سؤالنا في أول الحلقة، لماذا لا تنتقل الكهرباء في الخشب والعوازل؟
المصدر
↚