Električni izolator

Električni izolator ili dielektrik je neki materijal koji pruža vrlo veliki električni otpor prolazu slobodnih elektrona (ili jona). Materijali koji su dobri električni izolatori su vakuum, vazduh, staklo, keramika, plastika, guma i drugi. Zbog toga se izolacija električnih žica i kablova najčešće pravi od gume ili plastike, a visokonaponski vodovi nemaju nikakvu izolaciju osim vazduha. Za metalne, betonske i drvene stubove su povezani preko keramičkih izolatora.

Značajne osobine izolatora su njegov otpor (tipično reda giga oma) i naponska izdržljivost (otpornost na napon prije probijanja iskre). Na nivou atomske strukture, izolatori imaju vrlo malo slobodnih elektrona, i više od 4 valentna elektrona u posljednjoj elektronskoj ljusci.

Fizika provodljivosti u čvrstim telima

Električni izolator

Električna izolacija je odsustvo električne provodljivosti. Teorija elektronskih traka (grana fizike) diktira da naelektrisanje teče ako su dostupna stanja u kojima elektroni mogu biti pobuđeni. Ovo omogućava elektronima da dobiju energiju i na taj način se kreću kroz provodnik kao što je metal. Ako takva stanja nisu dostupna, materijal je izolator.

Većina (iako ne svi, pogledajte Motov izolator) izolatora imaju veliki razmak u pojasu. Ovo se dešava zato što je „valentni” pojas koji sadrži elektrone najveće energije pun, a veliki energetski jaz odvaja ovaj pojas od sledećeg pojasa iznad njega. Uvek postoji neki napon (koji se naziva probojni napon) koji daje elektronima dovoljno energije da budu pobuđeni u ovom opsegu. Kada se ovaj napon prekorači, materijal prestaje da bude izolator i naelektrisanje počinje da prolazi kroz njega. Međutim, obično je praćen fizičkim ili hemijskim promenama koje trajno degradiraju izolaciona svojstva materijala.

Materijali koji nemaju elektronsku provodljivost su izolatori ako nemaju i druga pokretna naelektrisanja. Na primer, ako tečnost ili gas sadrže jone, onda se joni mogu navesti da teku kao električna struja, i materijal je provodnik. Elektroliti i plazme sadrže jone i deluju kao provodnici bez obzira na to da li je protok elektrona uključen ili ne.

Električni proboj

Električni slom u električnom pražnjenju koje prikazuje plazmene filamente nalik vrpci iz Teslinog namotaja.

Kada su podvrgnuti dovoljno visokom naponu, izolatori pate od fenomena električnog proboja. Kada električno polje primenjeno na izolacionu supstancu na bilo kojoj lokaciji premašuje granično polje proboja za tu supstancu, izolator odjednom postaje provodnik, izazivajući veliko povećanje struje, električni luk kroz supstancu. Električni slom nastaje kada je električno polje u materijalu dovoljno snažno da ubrza slobodne nosioce naelektrisanja (elektrone i jone, koji su uvek prisutni u niskim koncentracijama) do dovoljno velike brzine da izbije elektrone iz atoma kada ih udare, jonizujući atome. Ovi oslobođeni elektroni i joni se zauzvrat ubrzavaju i udaraju u druge atome, stvarajući više nosilaca naelektrisanja, u lančanoj reakciji. Izolator se brzo puni mobilnim nosiocima naboja, a njegov otpor pada na nizak nivo. U čvrstom stanju, probojni napon je proporcionalan energiji pojasnog razmaka. Kada dođe do koronskog pražnjenja, vazduh u regionu oko visokonaponskog provodnika može da se razloži i jonizuje bez katastrofalnog povećanja struje. Međutim, ako se oblast vazdušnog sloma proteže do drugog provodnika na različitom naponu, to stvara provodnu putanju između njih i velika struja teče kroz vazduh, stvarajući električni luk. Čak i vakuum može da pretrpi neku vrstu proboja, ali u ovom slučaju proboja ili vakuumski luk uključuje naelektrisanja izbačena sa površine metalnih elektroda, a ne proizvedena samim vakuumom.

Pored toga, svi izolatori postaju provodnici na veoma visokim temperaturama pošto je toplotna energija valentnih elektrona dovoljna da ih stavi u provodni pojas.

U određenim kondenzatorima kratki spojevi između elektroda koji nastaju usled proboja dielektrika mogu nestati kada se primenjeno električno polje smanji.

Upotrebe

Veoma fleksibilan premaz izolatora se često nanosi na električnu žicu i kabl, to se naziva izolovana žica. Žice ponekad ne koriste izolacioni premaz, već samo vazduh, pošto čvrsti (npr. plastični) premaz može biti nepraktičan. Međutim, žice koje dodiruju jedna drugu proizvode unakrsne veze, kratke spojeve i opasnost od požara. U koaksijalnom kablu središnji provodnik mora biti oslonjen tačno u sredinu šupljeg štita da bi se sprečila refleksija EM talasa. Konačno, žice koje izlažu napone veće od 60 V mogu izazvati ljudski šok i opasnost od strujnog udara. Izolacioni premazi pomažu u sprečavanju svih ovih problema.

Neke žice imaju mehanički omotač bez napona - na primer: servisni pad, zavarivanje, zvono na vratima, žica termostata. Izolovana žica ili kabl ima napon i maksimalnu temperaturu provodnika. Moguće je da nema ocenu kapaciteta (kapaciteta struje), jer to zavisi od uslova okruženja (npr. temperature okoline).

U elektronskim sistemima, štampane ploče su napravljene od epoksidne plastike i fiberglasa. Neprovodne ploče podržavaju slojeve provodnika od bakarne folije. U elektronskim uređajima, sitne i delikatne aktivne komponente ugrađene su u neprovodnu epoksidnu ili fenolnu plastiku, ili unutar pečenog stakla ili keramičkih premaza.

U mikroelektronskim komponentama kao što su tranzistori i integrisana kola, silicijumski materijal je obično provodnik zbog dopinga, ali se lako može selektivno transformisati u dobar izolator primenom toplote i kiseonika. Oksidovani silicijum je kvarc, odnosno silicijum dioksid, primarna komponenta stakla.

U visokonaponskim sistemima koji sadrže transformatore i kondenzatore, tečno izolaciono ulje je tipična metoda koja se koristi za sprečavanje nastanka luka. Ulje zamenjuje vazduh u prostorima koji moraju da izdrže značajan napon bez električnog kvara. Drugi materijali za izolaciju sistema visokog napona uključuju keramičke ili staklene držače žica, gas, vakuum i jednostavno postavljanje žica dovoljno daleko da se koristi vazduh kao izolacija.

Izolacija u električnim aparatima

Bakarni kabl obložen PVC-om sa mineralnom izolacijom sa 2 provodna jezgra.

Najvažniji izolacioni materijal je vazduh. Različiti čvrsti, tečni i gasoviti izolatori se takođe koriste u električnim aparatima. U manjim transformatorima, generatorima i elektromotorima, izolacija na namotajima žice se sastoji od do četiri tanka sloja filma polimernog laka. Magnetna žica izolovana filmom omogućava proizvođaču da dobije maksimalan broj zavoja u okviru raspoloživog prostora. Namotaji koji koriste deblje provodnike često su omotani dodatnom izolacionom trakom od fiberglasa. Namotaji takođe mogu biti impregnirani izolacionim lakovima da bi se sprečila električna korona i smanjile magnetno indukovane vibracije žice. Namotaji velikih energetskih transformatora su još uvek uglavnom izolovani papirom, drvetom, lakom i mineralnim uljem; iako se ovi materijali koriste više od 100 godina, oni i dalje pružaju dobar balans ekonomičnosti i adekvatnih performansi. Sabirnice i prekidači u razvodnim aparatima mogu biti izolovani plastičnom izolacijom ojačanom staklom, tretiranom tako da ima malo širenje plamena i da spreči praćenje struje kroz materijal.

U starijim aparatima napravljenim do ranih 1970-ih, mogu se naći ploče od komprimovanog azbesta; dok je ovo adekvatan izolator na frekvencijama snage, rukovanje ili popravke azbestnog materijala mogu ispustiti opasna vlakna u vazduh i moraju se izvoditi oprezno. Žica izolovana filcanim azbestom korišćena je u visokotemperaturnim i robusnim aplikacijama od 1920-ih. Žicu ovog tipa prodavao je Dženeral Elektrik pod trgovačkim nazivom „Deltabeston.“

Razvodne table su do početka 20. veka bile napravljene od škriljca ili mermera. Neka oprema visokog napona je dizajnirana da radi u okviru izolacionog gasa visokog pritiska kao što je sumpor heksafluorid. Izolacioni materijali koji dobro rade na snazi i niskim frekvencijama mogu biti nezadovoljavajući na radio frekvenciji, zbog zagrevanja od prekomerne dielektrične disipacije.

Električne žice mogu biti izolovane polietilenom, umreženim polietilenom (bilo putem obrade elektronskim snopom ili hemijskim umrežavanjem), PVC-om, kaptonom, polimerima sličnim gumi, papirom impregnisanim uljem, teflonom, silikonom ili modifikovanim etilen tetrafluoroetilenom (ETFE). Veći kablovi za napajanje mogu koristiti komprimovani neorganski prah, u zavisnosti od primene.

Fleksibilni izolacioni materijali kao što je PVC (polivinil hlorid) se koriste za izolaciju kola i sprečavanje ljudskog kontakta sa žicom pod naponom – onom koja ima napon od 600 volti ili manje. Alternativni materijali će se verovatno sve više koristiti zbog bezbednosti i zakonodavstva EU o zaštiti životne sredine koje čine PVC manje ekonomičnim.

Izolatori za nazdemne elektroenergetske i telekomunikacione vodove

Nadzemni vod sa keramičkim izolatorima u Kaliforniji, SAD.

Keramički izolator za 10 kV, sa šeširićima.

Izolatori različitih modela

Nadzemni provodnih za visokonaposki prenos električne energije su goli i izolovani su okolnim vazduhom. Provodnici za niže napone u distributivnim mrežama mogu imati nekakvu izolaciju, ali su često i oni goli. Strukture od izolacione materijala, koje se takođe nazivaju izolatori, su potrebne na mestima gde vodove nose električni stubovi. Izolatori su takođe potrebni na mestima gde provodnik ulazi u zgrade ili u električne uređaje, kao što su transformatori i prekidači, da izoluju provodnik od kućišta.

Izolatori su elementi nadzemne mreže elektro energetskih vodova koji služe da omoguće fizičko odvajanje provodnika i stuba i istovremeno omogućavaju montažu provodnika na stub. Izolatori se rade od porcelana, stakla i u novije vrijeme od sintetičkih materijala. Razlikuju se izolatori za: niski, srednji i visoki napon. Izolatori se na stub montira preko nosača i može se mehanički i električno pojačati. Mehanički pojačati izolator znači umjesto jednog upotrijebiti dva ili više, a električno pojačati izolator znači povećati jednominutni podnosivi napon po kiši pri frekvenciji od 50 Hz, za 15% u odnosu na jednominutni podnosivi napon preostalog dijela voda

Izolatori za niski napon:

• U upotrebi su izolator za noseći stub Ņ95 i izolator za zatezni stub N80
• U srednjonaponskim vodovima (10, 20, 35 kV) upotrebljavaju se potporni i viseći izolatori. Potporni izolatori se pričvršćuju čvrsto u stubnu konstrukciju, a viseći se upotrebljavaju u obliku izolatorskog lanca i slobodno se njišu oko tačke vješanja.
• Potporni izolatori se primjenjuju smao u vodovima srednjeg napona dok se viseći upotrebljavaju i u vodovima srednjeg i visokog napona.

Najpoznatiji potporni izolatori su: Ps i LSP. Ps izolatori su ređe upotrebljavaju u odnosu na LSP, jer su LSP izolatori znatno bolje mehaničke čvrsoće i izolacione moći i mogu da idu na sve vrste regulisanog i neregulisanog terena.

Vidi još

• Električni provodnik
• Poluprovodnik

Literatura

• Principles of Electric Circuits, , Thomas I. Floyd, Prentice Hall. (7th изд.). pp. 25–27. ISBN 978-0-13-098576-7. 
• Taylor, Sue (maj 2003). Bullers of Milton. ISBN 978-1-897949-96-2. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Ray, Subir (2013). An Introduction to High Voltage Engineering, 2nd Ed. PHI Learning Ltd. str. 1. ISBN 9788120347403. 
• Belkin, A.; Bezryadin, A.; Hendren, L.; Hubler, A. (2017). „Recovery of Alumina Nanocapacitors after High Voltage Breakdown”. Scientific Reports. 7 (1): 932. Bibcode:2017NatSR...7..932B. PMC 5430567 . PMID 28428625. doi:10.1038/s41598-017-01007-9. 
• Ray, Subir (2009). An Introduction to High Voltage Engineering. PHI Learning. str. 19—21. ISBN 978-8120324176. 
• Young, Hugh D.; Roger A. Freedman; A. Lewis Ford (2004) [1949]. „Electric Potential”. Sears and Zemansky's University Physics (11 izd.). San Francisco: Addison Wesley. str. 886—7. ISBN 0-8053-9179-7. 

Spoljašnje veze

• Function of Grading rings to Composite Insulator Arhivirano na sajtu Wayback Machine (29. avgust 2019)
• General Overview on Glass Insulators