不善于传导电流的物质称为绝缘体(Insulator),绝缘体又称为电介质。它们的电阻率极高。绝缘体的定义:不容易导电的物体叫做绝缘体。

1.绝缘体的概念

绝缘体是指在通常情况下不传导电流的物质。又称电介质。绝缘体的特点是分子中正负电荷束缚得很紧,可以自由移动的带电粒子极少,其电阻率很大,约为10~10欧姆 ·米,所以一般情况下可以忽略在外电场作用下自由电荷移动所形成的宏观电流,而认为是不导电的物质。绝缘体可分为气态(如氢、氧、氮及一切在非电离状态下的气体)、液态(如纯水、油、漆及有机酸等)和固态(如玻璃、陶瓷、橡胶、纸、石英等)三类。固态的绝缘体又分为晶体和非晶体两种。实际的绝缘体并不是完全不导电的,在强电场作用下,绝缘体内部的正负电荷将会挣脱束缚,而成为自由电荷,绝缘性能遭到破坏,这种现象称为电介质的击穿。电介质材料所能承受的最大电场强度称为击穿场强。在绝缘体中,存在着束缚电荷,在外电场作用下,这种电荷将作微观位移,从而产生极化电荷,就是所谓电介质的极化。电介质按其物理性能可分为各向同性电介质和各向异性电介质两种。就极化机制可分为无极分子和有极分子两种。绝缘体在工程上大量用作电气绝缘材料、电容器的介质和特殊的电介质器件如压电晶体等。
绝缘体的传导性决定于物质中电子的行为.晶体中的电子行为取决于能带结构.导带全空,价带全满的物质即为绝缘体,导带底和价带顶的能量差(带隙)很大时,在通常的电场下不导电.对于能隙较小的物质,在温度较低时虽为绝缘体,但温度升高时,价带电子被激发到导带,也会导电.另外,带隙中的杂质能级上的电子或空穴激发到导带或价带时,也会导电。这两种情况的物质通常称为半导体.当用能量大于带隙的光照射绝缘体时,价带电子被激发到导带,在价带留下空穴,这二者都可导电,这种现象称为光电导.大多数绝缘体都有极化性质,因此绝缘体有时也称为电介质.绝缘体在一般电压下是绝缘的,当电压增加到一定限度时,将发生介电击穿,绝缘状态破坏.

绝缘体的概念

2.绝缘体的原理

绝缘体在某些外界条件,如加热、加高压等影响下,会被“击穿”,而转化为导体。在未被击穿之前,绝缘体也不是绝对不导电的物体。如果在绝缘材料两端施加电压,材料中将会出现微弱的电流。
绝缘材料中通常只有微量的自由电子,在未被击穿前参加导电的带电粒子主要是由热运动而离解出来的本征离子和杂质粒子。绝缘体的电学性质反映在电导、极化、损耗和击穿等过程中。
导电
绝缘体是不存在电导的物质。电子能带理论指出,固体中的电子仅允许存在于一定的能量状态,这些能量状态形成彼此分离的能带。电子趋向于先占据能量最低的能带,在绝对零度能够被填满的能量最高的能带叫做价带,价带之上的能带叫做导带,价带和导带之间的空隙叫做能隙。在绝对零度以上,价带电子部分被激发而跃迁至导带,成为导带电子,并在价带留下空穴。根据能带理论,被电子填满的能带或空的能带对电导没有贡献,电导仅来源于半满的能带,导带电子和价带空穴合称载流子。金属的导带被部分填充,因而有好的电导。对于半导体和绝缘体,在绝度零度下价带被填满,而导带没有电子。在常温下,半导体由于能隙较小,可以通过热激发而形成电子空穴对,因而具有一定的电导。相反,绝大多数绝缘体通常具有非常大的带隙宽度,价带电子很难被激发至导带,因此绝缘体的载流子浓度极低,相应地电导也极低,或者说这种材料绝缘。
对于绝缘体,总存在一个击穿电压,这个电压能给予价带电子足够的能量,将其激发到导带。一旦超过了击穿电压,这种材料就不再绝缘了。然而,击穿通常伴随着破坏材料绝缘性的物理或化学变化。
以上讨论仅涉及电子导电。除了不存在电子导电,绝缘体中也不能有其他移动电荷带来的电导。例如,如果液体或气体中有离子存在,离子可以定向移动形成电流,因而这种材料是导体。电解液或等离子体都是导体,不管有没有电子的流动存在。
击穿
绝缘体都会受到电击穿的影响。当外加电场超过某个阈值,(这个阈值与材料的能隙宽度成正比),绝缘体将突然转变为导体,并可能带来灾难性的后果。在电击穿过程中,自由电子被强电场加速到足够高的速度,这些高速电子与束缚电子撞击,能使束缚电子脱离原子的束缚(电离)。新的自由电子又能被加速并撞击其他原子,产生更多的自由电子,形成一个链式反应。很快绝缘体中将会充满可移动的载流子,因此其电阻将降至一个很低的水平。在空气中,电晕放电是高电压导体附近的正常电流;电弧放电是非正常,不希望见到的电流。相似地,击穿可以发生在任何绝缘体,甚至是固体中。甚至连真空都存在某种形式的击穿,但这种击穿或称真空电弧与电极表面的电子发射有关,而不是由真空本身产生的。

绝缘体的原理

3.绝缘体的种类

绝缘体的种类很多:
固体
如塑料、橡胶、玻璃,陶瓷等;
液体
如各种天然矿物油、硅油、三氯联苯等;
气体
如空气、二氧化碳、六氟化硫等。
与导体关系
绝缘体和导体不是绝对的,二者之间没有不可逾越的鸿沟。
二者的区分主要是内部能自由移动的电荷的数量,然而也跟外部条件(如电压、温度等)有关。在常温下绝缘的物体,当温度升高到相当的程度,由于可自由移动的电荷数量的增加,会转化成导体。

绝缘体的种类

4.绝缘体的用途

绝缘体通常用做电缆的外表覆层。事实上空气本身就是一种绝缘体,并不需要其他的物质进行绝缘。高压输电线就是通过空气绝缘的,因为使用固体(例如塑料)覆层并不实际。然而,导线相互接触可能造成短路和火灾。在同轴电缆中,中心的导体必须位于正中,以防止电磁波的反射。另外,任何高于60V的电压都会对人体造成电击或触电危险。使用绝缘体作为外表覆层可以防止这些问题。
在电子系统中,印刷电路板通常由环氧塑料和玻璃纤维制成,不导电的基板对铜导线层起支撑作用。在电子设备中,微小而精密的有效部件镶嵌在不导电的环氧树脂,酚醛树脂,玻璃或陶瓷涂覆层之中。
在诸如晶体管集成电路等微电子元器件中,掺杂的硅材料通常是一种导体。但是通过在氧气环境加热,硅也可以很容易地转变为绝缘体。硅被氧化将得到石英,也叫二氧化硅。
在带有变压器和电容器的高压系统中,液态的绝缘的机油通常用来防止电弧放电的发生。在需要承受相当高的电压而不被电击穿的地方,人们用油替代空气进行绝缘。其他的绝缘方法包括使用陶瓷,玻璃,真空等,或者在导线相距很远时亦可使用空气作为绝缘。

绝缘体的用途