絕緣體

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(zhuǎn)化為導(dǎo)體。在未被擊穿之前，絕緣體也不是絕對不導(dǎo)電的物體。如果在絕緣材料兩端施加電壓，材料中將會出現(xiàn)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(dǎo)電的帶電粒子主要是由熱運動而離解出來的本征離子和雜質(zhì)粒子。絕緣體的電學(xué)性質(zhì)反映在電導(dǎo)、極化、損耗和擊穿等過程中。

絕緣體導(dǎo)電

絕緣體是不存在電導(dǎo)的物質(zhì)。電子能帶理論指出，固體中的電子僅允許存在于一定的能量狀態(tài)，這些能量狀態(tài)形成彼此分離的能帶。電子趨向于先占據(jù)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(dǎo)帶，價帶和導(dǎo)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(fā)而躍遷至導(dǎo)帶，成為導(dǎo)帶電子，并在價帶留下空穴。根據(jù)能帶理論，被電子填滿的能帶或空的能帶對電導(dǎo)沒有貢獻(xiàn)，電導(dǎo)僅來源于半滿的能帶，導(dǎo)帶電子和價帶空穴合稱載流子。金屬的導(dǎo)帶被部分填充，因而有好的電導(dǎo)。對于半導(dǎo)體和絕緣體，在絕度零度下價帶被填滿，而導(dǎo)帶沒有電子。在常溫下，半導(dǎo)體由于能隙較小，可以通過熱激發(fā)而形成電子空穴對，因而具有一定的電導(dǎo)。相反，絕大多數(shù)絕緣體通常具有非常大的帶隙寬度，價帶電子很難被激發(fā)至導(dǎo)帶，因此絕緣體的載流子濃度極低，相應(yīng)地電導(dǎo)也極低，或者說這種材料絕緣。

對于絕緣體，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(fā)到導(dǎo)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(xué)變化。

以上討論僅涉及電子導(dǎo)電。除了不存在電子導(dǎo)電，絕緣體中也不能有其他移動電荷帶來的電導(dǎo)。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(dǎo)體。電解液或等離子體都是導(dǎo)體，不管有沒有電子的流動存在。

絕緣體擊穿

絕緣體都會受到電擊穿的影響。當(dāng)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），絕緣體將突然轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體，并可能帶來災(zāi)難性的后果。在電擊穿過程中，自由電子被強(qiáng)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并撞擊其他原子，產(chǎn)生更多的自由電子，形成一個鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。很快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(dǎo)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(fā)生在任何絕緣體，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(fā)射有關(guān)，而不是由真空本身產(chǎn)生的。

絕緣體的種類很多：

固體

如塑料、橡膠、玻璃，陶瓷等；

液體

如各種天然礦物油、硅油、三氯聯(lián)苯等；

氣體

如空氣、二氧化碳、六氟化硫等。

與導(dǎo)體關(guān)系

絕緣體和導(dǎo)體不是絕對的，二者之間沒有不可逾越的鴻溝。

二者的區(qū)分主要是內(nèi)部能自由移動的電荷的數(shù)量，然而也跟外部條件（如電壓、溫度等）有關(guān)。在常溫下絕緣的物體，當(dāng)溫度升高到相當(dāng)?shù)某潭?，由于可自由移動的電荷?shù)量的增加，會轉(zhuǎn)化成導(dǎo)體。

絕緣體是指在通常情況下不傳導(dǎo)電流的物質(zhì)。又稱電介質(zhì)。絕緣體的特點是分子中正負(fù)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宏觀電流，而認(rèn)為是不導(dǎo)電的物質(zhì)。絕緣體可分為氣態(tài)(如氫、氧、氮及一切在非電離狀態(tài)下的氣體)、液態(tài)(如純水、油、漆及有機(jī)酸等)和固態(tài)(如玻璃、陶瓷、橡膠、紙、石英等)三類。固態(tài)的絕緣體又分為晶體和非晶體兩種。實際的絕緣體并不是完全不導(dǎo)電的，在強(qiáng)電場作用下，絕緣體內(nèi)部的正負(fù)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(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿。電介質(zhì)材料所能承受的最大電場強(qiáng)度稱為擊穿場強(qiáng)。在絕緣體中，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(chǎn)生極化電荷，就是所謂電介質(zhì)的極化。電介質(zhì)按其物理性能可分為各向同性電介質(zhì)和各向異性電介質(zhì)兩種。就極化機(jī)制可分為無極分子和有極分子兩種。絕緣體在工程上大量用作電氣絕緣材料、電容器的介質(zhì)和特殊的電介質(zhì)器件如壓電晶體等。

絕緣體的傳導(dǎo)性決定于物質(zhì)中電子的行為.晶體中的電子行為取決于能帶結(jié)構(gòu).導(dǎo)帶全空，價帶全滿的物質(zhì)即為絕緣體，導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)哪芰坎?帶隙)很大時，在通常的電場下不導(dǎo)電.對于能隙較小的物質(zhì)，在溫度較低時雖為絕緣體，但溫度升高時，價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，也會導(dǎo)電.另外，帶隙中的雜質(zhì)能級上的電子或空穴激發(fā)到導(dǎo)帶或價帶時，也會導(dǎo)電。這兩種情況的物質(zhì)通常稱為半導(dǎo)體.當(dāng)用能量大于帶隙的光照射絕緣體時，價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，在價帶留下空穴，這二者都可導(dǎo)電，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo).大多數(shù)絕緣體都有極化性質(zhì)，因此絕緣體有時也稱為電介質(zhì).絕緣體在一般電壓下是絕緣的，當(dāng)電壓增加到一定限度時，將發(fā)生介電擊穿，絕緣狀態(tài)破壞.

絕緣體是一種可以阻止熱（熱絕緣體）或電荷（電絕緣體）流動的物質(zhì)。電絕緣體的相對物質(zhì)就是導(dǎo)體和半導(dǎo)體，他們可以讓電荷通暢的流動（注：嚴(yán)格意義上說，半導(dǎo)體也是一種絕緣體，因為在低溫下他會阻止電荷的流動，除非在半導(dǎo)體中摻雜了其他原子，這些原子可以釋放出多余的電荷來承載電流）。術(shù)語電絕緣體與電介質(zhì)有相同的意思，但是兩種術(shù)語分別用在不同的領(lǐng)域中。

一個完全意義上的熱絕緣體，根據(jù)熱力學(xué)第二定律是不可能存在的。然而，有一些材料（如二氧化硅）就非常接近真正的電絕緣體，從而產(chǎn)生了閃存技術(shù)。一個更大類別的材料，如，橡膠和很多的塑料，對于家庭和辦公室配線來說都是"完美”的，沒有安全性方面的隱患， 并且效率也很高。

在沒有發(fā)明出更好的合成（物理或化學(xué)反應(yīng)）物質(zhì)前，在大自然的固有物質(zhì)中，云母和石棉都可以作為很好的熱和電絕緣體。

用在高壓電壓傳輸環(huán)境中的，一般是陶瓷絕緣體或合成絕緣體。陶瓷絕緣體由粘土、石英、鋁 和長石做成。鋁絕緣體用在對機(jī)械強(qiáng)度要求比較高的場合。

絕緣體相關(guān)專業(yè)術(shù)語:

絕緣體

絕緣體通常用做電纜的外表覆層。事實上空氣本身就是一種絕緣體，并不需要其他的物質(zhì)進(jìn)行絕緣。高壓輸電線就是通過空氣絕緣的，因為使用固體（例如塑料）覆層并不實際。然而，導(dǎo)線相互接觸可能造成短路和火災(zāi)。在同軸電纜中，中心的導(dǎo)體必須位于正中，以防止電磁波的反射。另外，任何高于60V的電壓都會對人體造成電擊或觸電危險。使用絕緣體作為外表覆層可以防止這些問題。

在電子系統(tǒng)中，印刷電路板通常由環(huán)氧塑料和玻璃纖維制成，不導(dǎo)電的基板對銅導(dǎo)線層起支撐作用。在電子設(shè)備中，微小而精密的有效部件鑲嵌在不導(dǎo)電的環(huán)氧樹脂，酚醛樹脂，玻璃或陶瓷涂覆層之中。

在諸如晶體管和集成電路等微電子元器件中，摻雜的硅材料通常是一種導(dǎo)體。但是通過在氧氣環(huán)境加熱，硅也可以很容易地轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。硅被氧化將得到石英，也叫二氧化硅。

在帶有變壓器和電容器的高壓系統(tǒng)中，液態(tài)的絕緣的機(jī)油通常用來防止電弧放電的發(fā)生。在需要承受相當(dāng)高的電壓而不被電擊穿的地方，人們用油替代空氣進(jìn)行絕緣。其他的絕緣方法包括使用陶瓷，玻璃，真空等，或者在導(dǎo)線相距很遠(yuǎn)時亦可使用空氣作為絕緣。

按照導(dǎo)電性質(zhì)的不同，材料可分為“導(dǎo)體”和“絕緣體”兩大類；而更進(jìn)一步，根據(jù)電子態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)的不同，“絕緣體”和“導(dǎo)體”還可以進(jìn)行更細(xì)致的劃分。拓?fù)浣^緣體就是根據(jù)這樣的新標(biāo)準(zhǔn)而劃分的區(qū)別于其他普通絕緣體的一類絕緣體。拓?fù)浣^緣體的體內(nèi)與人們通常認(rèn)識的絕緣體一樣，是絕緣的，但是在它的邊界或表面總是存在導(dǎo)電的邊緣態(tài)，這是它有別于普通絕緣體的最獨特的性質(zhì)。這樣的導(dǎo)電邊緣態(tài)在保證一定對稱性（比如時間反演對稱性）的前提下是穩(wěn)定存在的，而且不同自旋的導(dǎo)電電子的運動方向是相反的，所以信息的傳遞可以通過電子的自旋，而不像傳統(tǒng)材料通過電荷來傳遞。

拓?fù)浣^緣體是一種具有新奇量子特性的物質(zhì)狀態(tài)，物理學(xué)的重要科學(xué)前沿之一。根據(jù)能帶理論，傳統(tǒng)上固體材料可以按照其導(dǎo)電性質(zhì)分為絕緣體、導(dǎo)體和半金屬，其中絕緣體材料在其費米能處存在著有限大小的能隙，因而沒有自由載流子；金屬材料在費米能級處存在著有限的電子態(tài)密度，進(jìn)而擁有自由載流子；半導(dǎo)體材料在費米能處沒有能隙，但是費米能級處的電子態(tài)密度仍然為零。而拓?fù)浣^緣體是一類非常特殊的絕緣體，從理論上分析，這類材料的體內(nèi)的能帶結(jié)構(gòu)是典型的絕緣體類型，在費米能處存在著能隙，然而在該類材料的表面則總是存在著穿越能隙的狄拉克型的電子態(tài)，因而導(dǎo)致其表面總是金屬性的。拓?fù)浣^緣體這一特殊的電子結(jié)構(gòu)，是由其能帶結(jié)構(gòu)的特殊拓?fù)湫再|(zhì)所決定的。

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(zhuǎn)化為導(dǎo)體。在未被擊穿之前，電絕緣體也不是絕對不導(dǎo)電的物體。如果在絕緣材料兩端施加電壓，材料中將會出現(xiàn)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(dǎo)電的帶電粒子主要是由熱運動而離解出來的本征離子和雜質(zhì)粒子。電絕緣體的電學(xué)性質(zhì)反映在電導(dǎo)、極化、損耗和擊穿等過程中。

電絕緣體導(dǎo)電

電絕緣體是不存在電導(dǎo)的物質(zhì)。電子能帶理論指出，固體中的電子僅允許存在于一定的能量狀態(tài)，這些能量狀態(tài)形成彼此分離的能帶。電子趨向于先占據(jù)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(dǎo)帶，價帶和導(dǎo)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(fā)而躍遷至導(dǎo)帶，成為導(dǎo)帶電子，并在價帶留下空穴。根據(jù)能帶理論，被電子填滿的能帶或空的能帶對電導(dǎo)沒有貢獻(xiàn)，電導(dǎo)僅來源于半滿的能帶，導(dǎo)帶電子和價帶空穴合稱載流子。金屬的導(dǎo)帶被部分填充，因而有好的電導(dǎo)。對于半導(dǎo)體和電絕緣體，在絕度零度下價帶被填滿，而導(dǎo)帶沒有電子。在常溫下，半導(dǎo)體由于能隙較小，可以通過熱激發(fā)而形成電子空穴對，因而具有一定的電導(dǎo)。相反，絕大多數(shù)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(fā)至導(dǎo)帶，因此電絕緣體的載流子濃度極低，相應(yīng)地電導(dǎo)也極低，或者說這種材料絕緣。

對于電絕緣體，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(fā)到導(dǎo)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(xué)變化。

以上討論僅涉及電子導(dǎo)電。除了不存在電子導(dǎo)電，電絕緣體中也不能有其他移動電荷帶來的電導(dǎo)。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(dǎo)體。電解液或等離子體都是導(dǎo)體，不管有沒有電子的流動存在。

電絕緣體擊穿

電絕緣體都會受到電擊穿的影響。當(dāng)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(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體，并可能帶來災(zāi)難性的后果。在電擊穿過程中，自由電子被強(qiáng)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并撞擊其他原子，產(chǎn)生更多的自由電子，形成一個鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。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(dǎo)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(fā)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(fā)射有關(guān)，而不是由真空本身產(chǎn)生的。2100433B