绝缘体

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绝缘体(Insulator)指的是不容易传导电流的物质,也称为电绝缘体(Insulator,electricity)。这类物质的电阻率极高,或者说电导率极低,它们内部的电荷紧密地与原子结合,不能自由移动。因此,绝缘体在外加电场时不会形成电流。也就是绝缘体不能导电。与此相对应,由于导体内部存在大量可自由移动的电荷,因此导体是可以导电的。绝缘体和导体没有严格的界限,当外界条件发生变化时,绝缘体也可以转...

绝缘体(Insulator)指的是不容易传导电流的物质,也称为电绝缘体( Insulator,electricity)。这类物质的电阻率极高,或者说电导率极低,它们内部的电荷紧密地与原子结合,不能自由移动。因此,绝缘体在外加电场时不会形成电流。也就是绝缘体不能导电。与此相对应,由于导体内部存在大量可自由移动的电荷,因此导体是可以导电的。绝缘体和导体没有严格的界限,当外界条件发生变化时,绝缘体也可以转化为导体。使用绝缘物质制备的材料广泛应用于电力传输、电子信息等行业。

绝缘体定义

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绝缘体(Insulator)指的是不容易传导电流的物质,也称为电绝缘体( Insulator,electricity)。这类物质的电阻率极高,或者说电导率极低,它们内部的电荷紧密地与原子结合,不能自由移动。因此,绝缘体在外加电场时不会形成电流。也就是绝缘体不能导电。与此相对应,由于导体内部存在大量可自由移动的电荷,因此导体是可以导电的。需要注意的是,绝缘体和导体没有严格的界限,当外界条件发生变化时,绝缘体和导体可以相互转化。

完美的绝缘体是不存在的,因为即使是绝缘体也含有少量的移动电荷(自由电子),它们可以形成电流。此外,当对某种绝缘材料外加足够大的电压时,电场能够将电子从原子剥离,发生电离现象,此时该绝缘体会变成导电体。这个电压存在一个临界值,称为该绝缘材料的击穿电压。最常见的例子是非金属。一些材料,如玻璃、纸和特氟隆,具有高电阻率,是非常好的电绝缘体。还有一类材料,如类橡胶聚合物和大多数塑料,即使它们的体积电阻率较低,但仍足以阻止大量电流在正常使用的电压下流动,因此被用作电线和电缆的绝缘。绝缘体在电气设备中主要用于支撑以及分离导电结构,比如用来包裹电缆或其他导电设备的绝缘护套,以及将输电线路连接到电线杆和输电塔的绝缘支架,这些绝缘结构本身不允许电流经过。

绝缘体

相关解释

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绝缘体是指不容易导电的物质。电子带理论(物理学的一个分支)规定,如果材料内部存在可以被激发状态的电子(可自由移动的电子),在外加电场时就会有电荷流动,从而形成电流,例如电子在金属等导体中的移动等。如果没有这样的状态,该材料就是一个绝缘体,与材料的状态(固态、液态、气态等)没有必然联系。大多数绝缘体含有一个较大的带隙,也就是原子内部的导带的最低点和价带的最高点的能量差值较大。带隙越大,电子由价带被激发到导带越难,本征载流子浓度就越低,电导率也就越低,但总存在足够高的电压(击穿电压)能使电子有足够的能量被激发到导带,形成可移动的载流子。一旦超过这个电压,该绝缘材料就不再是一个绝缘体。在固体中,击穿电压与带隙能量成正比。

外加电压击穿绝缘材料是不可逆的,通常伴随着物理或化学变化,会使材料的绝缘性能永久地退化。缺乏电子传导的材料,如果也缺乏其他移动电荷,则是绝缘体。例如,如果一种液体或气体含有离子,那么可以使离子以电流的形式流动,而该材料就是导体。电解质和等离子体含有离子,无论是否涉及电子流动,都作为导体。空气本来是稳定的绝缘体,当处于高压环境(如雨天的云层、高压设备等)时,可能会被击穿,空气被电离成等离子体,此时空气也能够导电。自然界中的闪电就是空气被电离后发生的脉冲放电现象。

绝缘体相关概念

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隔热材料

除了电绝缘体,广义上的绝缘体还包括热绝缘体(thermal insulation),也就是不容易导热的物质。热绝缘体一般称为隔热材料。隔热材料能够减少热接触或辐射范围内的物体之间的传热(即不同温度 的物体之间的热能传递)。 隔热物质的制备可以通过专门设计的方法或工艺以及合适的物体形状和材料来实现。与电阻率相对应,在热力学范畴中材料的隔热能力可以用导热系数(Thermal conductivity)的倒数来衡量,此时低导热系数相当于电绝缘体范畴中的高电阻率。

导体和半导体

按照电导率从高到低排列,可以将物质区分超导体、导体、半导体和绝缘体。

导体(Conductor)是指电导率极高且易于传导电流的材料。导体中存在大量可自由移动的带电粒子称为载流子。在外电场作用下,载流子作定向运动,形成明显的电流。金属是最常见的一类导体。金属原子最外层的价电子很容易挣脱原子核的束缚,而成为自由电子,留下的正离子(原子实)形成规则的点阵。金属中自由电子的浓度很大,所以金属导体的电导率通常比其他导体材料的大。金属导体的电阻率一般随温度降低而减小。在极低温度下,某些金属与合金的电阻率将完全消失,转化为“超导体”。

半导体(Semiconductor)是指室温下的电导率介于导体和绝缘体之间的固体材料,属于固态物理学领域范畴。在高温下,其导电性接近金属的导电性;在低温下,它能够充当绝缘体。 在半导体材料内部,电子的运动有限,这取决于所用材料的晶体结构。 常见的半导体材料有元素锗、硅和化合物砷化镓、氮化镓等,通常在这些材料中掺入某些杂质,可以增强它们的导电性能。按照半导体内部载流子的电性,可划分为N型半导体和以及P型半导体 。半导体用于生产二极管、晶体管和计算机存储设备等电子设备 。半导体产业是电子信息产业的基础。

击穿现象

当施加在绝缘物质上的电压超过该物质的阈值(击穿电压)时,绝缘体会变成导体,导致电流大量增加,形成通过该物质的电弧。当外加电场以将自由电荷载流子加速到足够高的速度,这些高速载流子在撞击原子时会使电子从原子上击落,使原子电离,就会发生电击现象。这些被释放的电子和离子又被加速并撞击其他原子,产生更多的电荷载体,形成连锁反应,此时绝缘体充满了移动的电荷载流子。此外,所有绝缘体在非常高的温度下都会成为导体,因为价带电子的热能足以使它们进入导带。在某些电容器中,由于电介质击穿也会形成电极之间的短路 。

常见的绝缘材料

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下表展示了生产生活中常见的绝缘材料,资料来源于:

状态种类
固态塑料、橡胶、玻璃,陶瓷等;
液态各种天然矿物油、硅油、三氯联苯等;
气态空气、二氧化碳、六氟化硫等

绝缘体用途

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用于电力传输系统

绝缘体经常被应用于电线和电缆外表覆层。由于空气本身就是一种绝缘体,在部分场合(如高压输电线)中是不使用其他绝缘层的,只使用空气,因为使用固体(如塑料)覆层不太实际,这类高压传输线路的高度一般较高,并且位于人烟稀少的地区,避免突发击穿现象误伤人群。然而,在大多数场合(如家庭电路),没有绝缘覆层的电线可能会发生交叉接触,从而引起短路和火灾隐患。再如同轴电缆,中心的导体必须正好支撑在空心屏蔽层的中间,以防止电磁波反射。另外,暴露在高于60V电压下的电线会造成人体电击和触电危险。在上述场合中绝缘覆层的使用是很有必要的。在电线杆或输电塔的支撑点上,需要使用绝缘支架,这些支架被称为绝缘子(insulation)。在电线进入建筑物或电气设备(如变压器或断路器)的地方也需要绝缘体,以使电线与外壳绝缘。这些内部有导体的空心绝缘体被称为套管。在不同的场合下,需要使用不同类型的绝缘子。

下表展示了常见的绝缘子分类方式以及对应的类别,资料来源于:。

分类方式分类类别
按是否可击穿划分可击穿型和不可击穿型
按形状结构划分柱式(支柱)绝缘子、悬式绝缘子、针式绝缘子、蝶式绝缘子、拉紧绝缘子、防污型绝缘子和套管绝缘子等
按应用场合划分线路绝缘子、电站绝缘子、电器绝缘子等
按制作材料划分陶瓷绝缘子,玻璃钢绝缘子,合成绝缘子,半导体绝缘子等

用于印刷电路板

在电子系统中,印刷电路板起到的是固定铜导线的作用,其本身不允许电流经过,通常由环氧树脂塑料和玻璃纤维等绝缘材料制成。在电子设备中,微小而精巧的有源元件一般被嵌入不导电的环氧树脂、酚醛塑料或烘烤的玻璃或陶瓷涂层中,保证其结构不受损害。

绝缘体

用于高压线路上的针式绝缘子

用于高压系统

在含有变压器和电容器的高压系统中,液体绝缘的机油是用于防止击穿现象的有效方法。在这些必须承受高电压且不允许发生击穿的场合中,油的绝缘效果要好于空气。其他绝缘材料包括陶瓷或玻璃等则用于高压系统的线架,当高压系统的导线之间相距较远,并且位于人烟稀少的地方时,可以直接通过空气进行绝缘。

绝缘体

用于高压线路上的悬挂式绝缘子

I类和II类绝缘

所有便携式或手持式电气设备都是绝缘的,以保护用户免受有害电击。I类绝缘要求设备的金属机身和其他暴露的金属部分通过在主服务面板上接地的接地线与大地相连--但只需要在导体上进行基本绝缘措施。这种设备需要在电源插头上有一个额外的针脚用于接地连接。II级绝缘意味着该设备是双重绝缘的。这用于一些电器,如电动剃须刀、吹风机和便携式电动工具。双重绝缘要求设备同时具有基本绝缘和辅助绝缘,每一种都足以防止电击。所有内部通电的部件都被完全封闭在一个绝缘体中,以防止与 "带电 "部件的任何接触。

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词条目录
  1. 绝缘体定义
  2. 相关解释
  3. 绝缘体相关概念
  4. 隔热材料
  5. 导体和半导体
  6. 击穿现象
  7. 常见的绝缘材料
  8. 绝缘体用途
  9. 用于电力传输系统
  10. 用于印刷电路板
  11. 用于高压系统
  12. I类和II类绝缘

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