Villamos szigetelő

Szigetelőnek (vagy dielektrikumnak) nevezzük azokat az anyagokat, melyek az elektromos áramot elhanyagolható mértékben vezetik. Az elektromos ellenállásuk jellemzően 10¹² Ω felett van. A szigetelőkben a tiltott sáv szélessége nagy, nagyobb mint 3 eV (kb. 0,5 aJ), amelyet szobahőmérsékleten csak nagyon kevés elektron képes megszerezni. A szigetelő anyagokban ezért kevés szabad elektron van, az anyag vezetőképessége kicsi. Gyakorlatilag nem vezet, szigetel. Ideális szigetelőben egyetlen szabad töltéshordozó sincs. Az atomok hőmozgása miatt a gyakorlatban ilyen nem fordul elő, vagyis szigetelő anyagainkra inkább rossz vezető elnevezést kellene használni. A szigetelő anyagok a gázok, az olajok, a szilárd halmazállapotúak közül az üveg, műanyagok, kerámiák, csillám stb. A desztillált víz is inkább szigetelő, míg a különböző sókat tartalmazó víz már vezető.

A jelenségkör szorosan összefügg az anyagok elektromos és mágneses energiát tároló képességével. Ennek egyik mennyisége a χ_e elektromos szuszceptibilitás (vagy más néven dielektromos szuszceptibilitás), amely azt méri, hogy a szigetelő mennyire polarizálódik külső elektromos tér hatására. Ez a mennyiség összefüggésben áll azzal is, hogy milyen a fény terjedési sebessége a közegben. A jó dielektrikum poláros molekulái a külső elektromos tér rákapcsolásakor az erőtér irányába állnak be. Ez a dielektromos polarizáció jelensége, ami növeli a kondenzátor kapacitását.

Az elektrotechnikában a szigetelőket az áram szivárgásának megakadályozására és a vezetők megtámasztására használják.

Kondenzátorokban[szerkesztés]

A dielektrikumot a kondenzátorlemezek közé helyezik, ezzel a kondenzátornak megnő az elektromos kapacitása és az átütési feszültsége (a vákuumhoz képest).

Jellemzői[szerkesztés]

A dielektrikumokra jellemző mennyiségek a permittivitás, a veszteségi szög és az átütési feszültség. Az iparban alkalmazott dielektrikumok nagyon magas átütési feszültségű, nagy szakítószilárdságú, vegyileg stabil, kúszóárammal szemben ellenálló anyagok.

Permittivitás[szerkesztés]

A síkkondenzátor kapacitása egyenesen arányos a benne levő dielektrikum permittivitásával:

C=\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}\cdot {A \over d},

ahol C a kapacitás, ε_r a dielektrikum relatív permittivitása, $\varepsilon _{0}\approx 8{,}852\cdot 10^{-12}$ a vákuum permittivitása, A a fegyverzetek felülete, és d a fegyverzetek közötti távolság.

Néhány anyag relatív permittivitása:

paraffin	1,9 - 2,2
csillám	4 - 8
üveg	5 - 16
porcelán	6 - 8
speciális kerámiák	~ 100
bárium-titanát	~ 1000
víz	81
etil-alkohol	24
petróleum	2,1
levegő	1,000 59
neoprén	6,7
papír	3,7
kvarc	4,3
stroncium-titanát	300
réz-oxid	18
titán-dioxid	~ 80
CaTiO₃	~ 160
(SrBi)TiO₃	~ 1000
benzol	~ 2,3
nitrobenzol	37
hidrogén	1,000264
kén-dioxid	1,0099

A levegő relatív permittivitását a legtöbb számításban egynek veszik, mivel maga a számítás sokkal pontatlanabb. A víz kiugróan magas permittivitása a vízmolekula erős polározottságának, és ebből következő nagy dipólusnyomatékának köszönhető.

Veszteségi szög[szerkesztés]

A dielektromos veszteségi tényezőnek is nevezett veszteségi szög a D dielektrikus eltolás és az E erőtér által bezárt szög. Kiszámítása:

$\mathrm {tg} \delta ={\frac {\Im e^{*}(w)}{\Re e^{*}(w)}},$

ahol e*(w) a komplex permittivitás, és w a váltóáram frekvenciája.

Átütési feszültség[szerkesztés]

Az átütési feszültség az a feszültség, aminél a dielektrikum vezetővé válik. Az eközben végbement kémiai reakciók miatt a szilárd dielektrikumot ki kell dobni, mivel ez a folyamat visszafordíthatatlan. A folyékony és a gáz halmazállapotú dielektrikumokban az áramlás visszaállítja a szigetelőképességet, bár a kémiai reakciók termékei az anyagban maradnak. Ez a feszültség egyenesen arányos a dielektrikum vastagságával, ezért V/m-ben mérik. Gyakorlati okok miatt azonban inkább a MV/cm mértékegységet használják.

Táblázat a dielektrikumok átütési feszültségéről. Az adatok MV/cm-ben értendők.

paraffin	10
csillám	2,5 - 4,2
üveg	4 - 14
porcelán	1 - 4
speciális kerámiák	0,45
bárium-titanát	> 0,025
víz	3
etil-alkohol
petróleum
levegő	> 0,025 (nyomásfüggő)
neoprén	12
papír	0,5 - 16
kvarc	4 - 6
stroncium-titanát
réz-oxid
titán-dioxid	1 - 2
CaTiO₃	~
(SrBi)TiO₃	~
benzol	1,6
nitrobenzol	37
hidrogén
kén-dioxid