絕緣體

鐵路上的陶瓷絕緣體
用聚乙烯進行絕緣的銅導線

絕緣體(英語:Insulator),又稱介電質絕緣子,是一種阻礙電荷流動的材料。在絕緣體中,價帶電子被緊密的束縛在其原子周圍。這種材料在電氣設備中用作絕緣體,或稱起絕緣作用。其作用是支撐或分離各個電導體,不讓電流流過。

玻璃聚四氟乙烯等材料都是非常好的電絕緣體。更多的一些材料可能具有很小的電導,但仍然足以作為電纜的絕緣,例如橡膠類高分子和絕大多數塑料。這些材料可以在低壓下(幾百甚至上千伏特)用作安全的絕緣體。

固體導電機理

絕緣體是指理論上不存在電導的物質。電子能帶理論指出,固體中的電子僅允許存在於一定的能量狀態,這些能量狀態形成彼此分離的能帶。電子趨向於先占據能量最低的能帶,在絕對零度能夠被填滿的能量最高的能帶叫做價帶,價帶之上的能帶叫做導帶,價帶和導帶之間的空隙叫做能隙。在絕對零度以上,價帶電子部分被激發而躍遷至導帶,成為導帶電子,並在價帶留下電洞

根據能帶理論,被電子填滿的能帶或空的能帶對電導沒有貢獻,電導僅來源於半滿的能帶,導帶電子和價帶電洞合稱載流子金屬的導帶被部分填充,因而有好的電導。對於半導體和絕緣體,在絕度零度下價帶被填滿,而導帶沒有電子。在常溫下,半導體由於能隙較小,可以通過熱激發而形成電子電洞對,因而具有一定的電導。相反,絕大多數絕緣體通常具有非常大的帶隙寬度,價帶電子很難被激發至導帶,因此絕緣體的載流子濃度極低,相應地電導也極低,或者說這種材料絕緣。

然而,理論上是如此,實際上對於絕緣體,總存在一個擊穿電壓,這個電壓能給予價帶電子足夠的能量,將其激發到導帶。一旦超過了擊穿電壓,這種材料就不再絕緣了。然而,擊穿通常伴隨著破壞材料絕緣性的物理或化學變化。

以上討論僅涉及電子導電。除了不存在電子導電,絕緣體中也不能有其他移動電荷帶來的電導。例如,如果液體或氣體中有離子存在,離子可以定向移動形成電流,因而這種材料是導體。電解液電漿都是導體,不管有沒有電子的流動存在。

擊穿

絕緣體都會受到電擊穿的影響。當外加電場超過某個閾值,(這個閾值與材料的能隙寬度成正比),絕緣體將突然轉變為導體,並可能帶來災難性的後果。在電擊穿過程中,自由電子被強電場加速到足夠高的速度,這些高速電子與束縛電子撞擊,能使束縛電子脫離原子的束縛(電離)。新的自由電子又能被加速並撞擊其他原子,產生更多的自由電子,形成一個連鎖反應。很快絕緣體中將會充滿可移動的載流子,因此其電阻將降至一個很低的水平。在空氣中,電暈放電是高電壓導體附近的正常電流;電弧放電是非正常,不希望見到的電流。相似地,擊穿可以發生在任何絕緣體,甚至是固體中。甚至連真空都存在某種形式的擊穿,但這種擊穿或稱真空電弧與電極表面的電子發射有關,而不是由真空本身產生的。

用途

絕緣體通常用做電纜的外表覆層。事實上空氣本身就是一種絕緣體,並不需要其他的物質進行絕緣。高壓輸電線就是通過空氣絕緣的,因為使用固體(例如塑料)覆層並不實際。然而,導線相互接觸可能造成短路和火災。在同軸電纜中,中心的導體必須位於正中,以防止電磁波的反射。另外,任何高於60V的電壓都會對人體造成電擊或觸電危險。使用絕緣體作為外表覆層可以防止這些問題。

在電子系統中,印刷電路板通常由環氧塑料和玻璃纖維製成,不導電的基板對銅導線層起支撐作用。在電子設備中,微小而精密的有效部件鑲嵌在不導電的環氧樹脂酚醛樹脂玻璃陶瓷塗覆層之中。

在諸如電晶體集成電路等微電子元器件中,摻雜的材料通常是一種導體。但是通過在氧氣環境加熱,矽也可以很容易地轉變為絕緣體。矽被氧化將得到石英,也叫二氧化矽

在帶有變壓器電容器的高壓系統中,液態的絕緣的機油通常用來防止電弧放電的發生。在需要承受相當高的電壓而不被電擊穿的地方,人們用油替代空氣進行絕緣。其他的絕緣方法包括使用陶瓷,玻璃,真空等,或者在導線相距很遠時亦可使用空氣作為絕緣。

塗覆玻璃絕緣子用於運行在惡劣環境下

在變電站中, 應用RTV矽橡膠材料防止污染已經超過30年了。最近, 世界各地的電力公司採用同樣的補救措施解決由於線路絕緣子受重度污穢的影響而帶來的運行問題。當前, 甚至傾向於在設計階段規定採用矽橡膠塗層, 而不是隨後應現場的需求再塗覆絕緣子以及處理相關的費用。雖然對這一解決方案的需求在明顯擴大, 但是關於最佳的塗層材料、性能和預期使用壽命仍然存在著問題。

高壓絕緣體

高壓絕緣體,用在高壓電壓傳輸環境中的,一般是陶瓷絕緣體或合成絕緣體。陶瓷絕緣體由粘土石英長石做成。絕緣體用在對機械強度要求比較高的場合。最近,一種合成絕緣體材料開始使用,這種材料有一個用纖維強化塑料做成的芯棒和一個用矽樹脂橡膠或橡膠做成的外殼。合成絕緣體價格低,重量輕,有很高的防水性能,因此可以用在污染較嚴重的場合。

參見

參考文獻

  • Bullers of Milton Sue Taylor, Churnet Valley Books. 2003 ISBN 1-897949-96-0

外部連結

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