Elektrische Isolatoren
Elektrische Isolatoren sind Materialien, die den Fluss eines elektrischen Stroms nicht leicht durchlassen. Sie zeichnen sich durch hohe elektrische Widerstandsfähigkeit und niedrige elektrische Leitfähigkeit aus. Beispielsweise wird Gummi häufig zur Isolierung elektrischer Drähte und Kabel verwendet, sowie beim Bau elektrischer Geräte und Anlagen wie Transformatoren, Motoren und Generatoren.
Material mit höchster Durchschlagsfestigkeit
Das Material mit der höchsten Dielektrizitätsfestigkeit ist synthetischer Diamant, auch als diamantähnlicher Kohlenstoff oder DLC bekannt. Er hat eine Dielektrizitätsfestigkeit von bis zu 10 Millionen Volt pro Millimeter (V/mm), was mehrfach höher ist als die Durchschlagsfestigkeit von Luft.
Theorie der elektrischen Isolatoren
Das Verhalten von Elektronen in Isolatoren lässt sich durch die Theorie der Bandstruktur erklären. Atome in einem Festkörper sind in einer periodischen Gitterstruktur angeordnet. Die Elektronen in den Atomen besetzen Energielevels oder „Bänder“, die eng beieinander liegen. In Isolatoren ist das Valenzband, welches die an der chemischen Bindung beteiligten Elektronen enthält, vollständig gefüllt, während das Leitungsband, das leer ist, durch eine große Energielücke vom Valenzband getrennt ist.
Um Elektrizität zu leiten, müssen Elektronen vom gefüllten Valenzband in das leere Leitungsband wechseln. In Isolatoren ist die dazu erforderliche Energie sehr hoch, sodass nur sehr wenige Elektronen in das Leitungsband gelangen können, wodurch das Material ein schlechter Stromleiter ist. Die meisten Isolatoren haben eine große Bandlücke.
Beispiele für gute elektrische Isolatoren
- Glas: Durchsichtiges oder transluzentes Festmaterial, häufig verwendet in Fenstern, Linsen und Laborequipment.
- Keramik: Nicht-metallisches, anorganisches Festmaterial, verwendet in elektrischen Komponenten wie Kondensatoren und Widerständen.
- Gummi: Elastisches, isolierendes Material, verwendet in elektrischer Verkabelung und Kabeln.
- Papier: Dünnes Material aus Holzzellstoff, verwendet in elektrischer Isolierung und Verpackung.
- PVC: Synthetisches Kunststoffmaterial, verwendet in elektrischer Kabelisolierung und Rohrleitungen.
Widerstandswerte von Isolatoren und Leitern
Die Widerstandswerte verschiedener Materialien unterscheiden sich erheblich. So haben beispielsweise Isolatoren wie Glas und Gummi Widerstandswerte zwischen \(10^{12}\) und \(10^{14}\) Ohm-Metern, während Leiter wie Silber und Kupfer Werte um \(10^{-8}\) Ohm-Meter aufweisen.
Klassifizierung von Materialien nach elektrischer Leitfähigkeit
Materialien können je nach ihrer elektrischen Leitfähigkeit in verschiedene Kategorien eingeteilt werden:
