Was ist ein Isolierstoff?
Isolierstoffe sind Materialien, die Elektrizität nur schwer oder gar nicht leiten können.
Typische Beispiele sind Kunststoffe und Gummi. Ein Material, das Elektrizität gut leitet, wird als Leiter bezeichnet, während ein Material, das die Eigenschaft eines Leiters besitzt und sich je nach Bedingungen wie der Temperatur in einen Isolator verwandelt, als Halbleiter bezeichnet wird.
Der Unterschied in den physikalischen Eigenschaften ergibt sich aus den freien Elektronen, die sich in einem Material frei bewegen können. Wenn in einem Material, in dem freie Elektronen vorhanden sind, ein Spannungsunterschied erzeugt wird, bewegen sich diese und es fließt ein elektrischer Strom. In Isolierstoffen bewegen sich nur wenige oder gar keine freien Elektronen, so dass kein Strom fließt.
Anwendungen von Isolierstoffen
Isolierstoffe werden zur Ummantelung von Platinen und Kabeln verwendet, in die elektronische Bauteile integriert sind. Isolierstoffe können verwendet werden, um Drähte vor elektrischem Kontakt miteinander zu schützen, da der Kontakt zwischen Drähten, die Strom leiten, zu Fehlfunktionen führen kann. Neben Kabeln für Stromversorgungen werden auch bei den meisten Kabelprodukten wie LAN- und USB-Kabeln Isolierstoffe als Ummantelung verwendet. Es können Isolierstoffe wie Gummi und Vinyl verwendet werden.
Isolierstoffe werden manchmal verwendet, wenn die Oberfläche von Elementen auf einer Leiterplatte mit einer Beschichtung versehen wird, um zu verhindern, dass sie von Wasser benetzt werden.
Funktionsweise von Isolierstoffen
Der Unterschied zwischen Isolierstoffen (Isolatoren) und Leitern ergibt sich aus dem Vorhandensein oder Fehlen freier Elektronen, was durch die Energiebandlücke zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband bestimmt wird.
Die Valenzelektronen, die in den kovalenten Bindungen, aus denen das Material besteht, mit den umgebenden Atomen geteilt werden, befinden sich in einem Bereich, der als Valenzband bezeichnet wird und ein niedriges Energieniveau aufweist. Die Valenzelektronen in diesem Bereich bewegen sich nicht, wenn eine Spannungsdifferenz angelegt wird. Auf der anderen Seite gibt es in der Materie einen Bereich, der als Leitungsband bezeichnet wird und ein höheres Energieniveau als das Valenzband aufweist. Der Energieunterschied zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband wird als Bandlücke bezeichnet. Wenn Elektronen im Valenzband Licht, thermische oder elektrische Energie erhalten und die Energiebandlücke überqueren, um das Leitungsband zu erreichen, bewegen sie sich als freie Elektronen und es fließt ein Strom.
Bei Leitern gibt es fast keine Energiebandlücke. Viele Elektronen können leicht in das Leitungsband übergehen, wodurch mehr freie Elektronen entstehen und Strom fließt. Umgekehrt haben Isolierstoffe eine große Energiebandlücke und können nicht so leicht in das Leitungsband übergehen, so dass es nur wenige freie Elektronen gibt und kein Strom fließt. Bei großen Energien oberhalb der Energiebandlücke, z. B. bei Blitzen, können jedoch auch Isolierstoffe in das Leitungsband übergehen, und es kann Strom fließen.
Arten von Isolierstoffen
Es gibt eine Reihe von Isolierstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften.
1. Gasförmige Isolierstoffe
Dies sind Luft, Schwefelhexafluorid (SF6), Kohlendioxidgas usw., die hauptsächlich unter Druck verwendet werden. SF6 wird aus Schwefel- und Fluorgas synthetisiert und wurde aufgrund seiner hohen Durchschlagsfestigkeit in gasisolierten Leistungsschaltern und gasisolierten Transformatoren verwendet, aber seine Verwendung wird aufgrund seines hohen Treibhauspotenzials eingeschränkt.
2. Flüssige Isolierstoffe
Beispiele sind Pflanzenöl, synthetisches Isolieröl und Mineralöl. Pflanzenöle werden als Rohstoffe für Isolieröle verwendet, während synthetische Isolieröle und Mineralöle zur Isolierung und Kühlung von ölgefüllten elektrischen Geräten wie Kabeln, Kondensatoren und Transformatoren eingesetzt werden.
3. Feste Isolierstoffe
Es werden Glimmer, Keramik und Glas verwendet. Glimmer ist ein natürlicher Kristall mit hoher Wärmebeständigkeit und Isolierfähigkeit und wird zu Bändern, Platten und Tafeln verarbeitet, die häufig zur Isolierung von Spulen verwendet werden. Keramik, die aus mineralischen Pulvern hergestellt und bei hohen Temperaturen gesintert wird, wird für Halbleitergehäuse und Hochfrequenzisolatoren verwendet. Glas ist hart und spröde, aber durchsichtig, hitzebeständig und isolierend und kann in Kathodenstrahlröhren und Glühbirnen verwendet werden.
4. Organische Fasermaterialien
Beispiele hierfür sind Seide, Baumwollgarn, Papier, Polyester und Nylon. Papier wird seit langem mit Isolieröl imprägniert und zur Isolierung von ölgefüllten elektrischen Geräten verwendet.
5. Materialien auf Farbbasis
Sie werden durch Auflösen von Kunst- oder Naturharzen in einem Lösungsmittel hergestellt. Isolierfarben wie Emaillelacke und Coil-Lacke werden für Isolierstoffe verwendet.
6. Werkstoffe auf Kautschukbasis
Silikonkautschuk, Ethylen-Propylen-Kautschuk, Butylkautschuk und Naturkautschuk werden für geformte Produkte und Drahtbeschichtungen verwendet.
7. Werkstoffe auf Harzbasis
Naturharze wie Kolophonium und Serac werden als Rohstoffe für Isolierfarben verwendet. Zu den Kunstharzen gehören thermoplastische und wärmehärtende Harze, die in Isolierstoffen, Drahtummantelungen, laminierten und geformten Produkten weit verbreitet sind.