電絕緣體

電絕緣體又稱電介質，是一種阻礙電荷流動的材料。在電絕緣體中，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。分子中正負電荷束縛得很緊，可以自由移動的帶電粒子極少，其電阻率很大，約為10~10歐姆 ·米，所以一般情況下可以忽略在外電場作用下自由電荷移動所形成的巨觀電流，而認為是不導電的物質。

基本介紹

• 中文名：電絕緣體
• 外文名：Electrical insulators
• 定義：不善於傳導電流的物質
• 分類：固體、液體、氣體

簡介

電絕緣體是指在通常情況下不傳導電流的物質。又稱電介質。電絕緣體的特點是分子中正負電荷束縛得很緊，可以自由移動的帶電粒子極少，其電阻率很大，約為10～10歐姆 ·米，所以一般情況下可以忽略在外電場作用下自由電荷移動所形成的巨觀電流，而認為是不導電的物質。電絕緣體可分為氣態(如氫、氧、氮及一切在非電離狀態下的氣體)、液態(如純水、油、漆及有機酸等)和固態(如玻璃、陶瓷、橡膠、紙、石英等)三類。固態的電絕緣體又分為晶體和非晶體兩種。實際的電絕緣體並不是完全不導電的，在強電場作用下，電絕緣體內部的正負電荷將會掙脫束縛，而成為自由電荷，絕緣性能遭到破壞，這種現象稱為電介質的擊穿。電介質材料所能承受的最大電場強度稱為擊穿場強。在電絕緣體中，存在著束縛電荷，在外電場作用下，這種電荷將作微觀位移，從而產生極化電荷，就是所謂電介質的極化。電介質按其物理性能可分為各向同性電介質和各向異性電介質兩種。就極化機制可分為無極分子和有極分子兩種。電絕緣體在工程上大量用作電氣絕緣材料、電容器的介質和特殊的電介質器件如壓電晶體等。

電絕緣體的傳導性決定於物質中電子的行為。晶體中的電子行為取決於能帶結構。導帶全空，價帶全滿的物質即為電絕緣體，導帶底和價帶頂的能量差(帶隙)很大時，在通常的電場下不導電。對於能隙較小的物質，在溫度較低時雖為電絕緣體，但溫度升高時，價帶電子被激發到導帶，也會導電。另外，帶隙中的雜質能級上的電子或空穴激發到導帶或價帶時，也會導電。這兩種情況的物質通常稱為半導體。當用能量大於帶隙的光照射電絕緣體時，價帶電子被激發到導帶，在價帶留下空穴，這二者都可導電，這種現象稱為光電導。大多數電絕緣體都有極化性質，因此電絕緣體有時也稱為電介質。電絕緣體在一般電壓下是絕緣的，當電壓增加到一定限度時，將發生介電擊穿，絕緣狀態破壞。

傳導性決定於物質中電子的行為。晶體中的電子行為取決於能帶結構。導帶全空，價帶全滿的物質即為電絕緣體，導帶底和價帶頂的能量差(帶隙)很大時，在通常的電場下不導電。對於能隙較小的物質，在溫度較低時雖為電電絕緣體，但溫度升高時，價帶電子被激發到導帶，也會導電。另外，帶隙中的雜質能級上的電子或空穴激發到導帶或價帶時，也會導電。

原理

電絕緣體在某些外界條件，如加熱、加高壓等影響下，會被“擊穿”，而轉化為導體。在未被擊穿之前，電絕緣體也不是絕對不導電的物體。如果在絕緣材料兩端施加電壓，材料中將會出現微弱的電流。

絕緣材料中通常只有微量的自由電子，在未被擊穿前參加導電的帶電粒子主要是由熱運動而離解出來的本徵離子和雜質粒子。電絕緣體的電學性質反映在電導、極化、損耗和擊穿等過程中。

導電

電絕緣體是不存在電導的物質。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，並在價帶留下空穴。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，導帶電子和價帶空穴合稱載流子。金屬的導帶被部分填充，因而有好的電導。對於半導體和電絕緣體，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空穴對，因而具有一定的電導。相反，絕大多數電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，因此電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。
對於電絕緣體，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，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。電解液或電漿都是導體，不管有沒有電子的流動存在。

擊穿

電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），電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，形成一個鏈式反應。很快電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電絕緣體，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。