Materialele electroizolante și semiconductoare

Materialele izolatoare (electroizolante sau dielectrice) sunt materiale nemetalice care opun o rezistență foarte mare trecerii curentului electric, având rezistivitatea electrică cuprinsă între 10⁶ şi 10¹⁸ W∙m. Materialele electroizolante sunt cele mai numeroase dintre toate materialele utilizate în electrotehnică, fiind folosite în principal pentru realizarea izolației dintre pârțile conductoare aflate la potențiale diferite şi pentru realizarea condensatoarelor electrice, materialul electroizolant formând dielectricul dintre cele două armături.

Materialele izolatoare se găsesc în toate cele trei stări de agregare (solidă, lichidă, gazoasă) şi sunt caracterizate de trei parametri electrici mai importanți: rezistivitatea, permitivitatea dielectrică şi rigiditatea dielectrică.

Rezistivitatea totală a unui material electroizolant este formată din două componente:

• rezistivitatea de volum, care reprezintă rezistența electrică a unității de volum;
• rezistivitatea de suprafață, care reprezintă rezistența unității de suprafață.

Permitivitatea dielectrică relativă reprezintă raportul dintre capacitatea unui condensator, atunci când între armături se află un dielectric, şi capacitatea aceluiași condensator, arunci când între armături se află vid.

Rigiditatea dielectrică reprezintă tensiunea de străpungere a unui strat de material electroizolant de grosime unitară. Materialele electroizolante pot fi de natură organică (ceara naturală, parafina, cauciuc etc.) sau anorganică (sticla, marmura, mica etc.).

1. Materiale izolatoare gazoase

Aerul, la presiune normală, este prezent în toate dispozitivele şi instalațiile care lucrează direct în atmosferă. Uneori se utilizează la presiune scăzută (în camerele de stingere a arcului electric, la întrerupătoare) sau la presiune ridicată (în dispozitivele de acționare pneumatică).

Azotul, fiind mai puțin coroziv, se utilizează la umplerea baloanelor, a lămpilor cu incandescență, împreună cu un gaz inert, precum şi la umplerea vaselor tampon la mecanismele de acționare pneumatică a întrerupătoarelor de înaltă tensiune.

Hidrogenul, având o conductibilitate termică de 7 ori mai mare decât cea a aerului, se utilizează ca agent de răcire la turbogeneratoarele de turație mare.

2. Materiale izolatoare lichide

Principalele materiale lichide sunt uleiurile minerale, utilizate ca electroizolant şi ca agent de răcire la transformatoarele electrice de mare putere, uleiurile vegetale, folosite la fabricarea lacurilor electroizolante de impregnare, şi uleiurile sintetice, care înlocuiesc cu succes uleiurile minerale, având avantajul că nu sunt inflamabile ca acestea, dar, în schimb, sunt toxice (în ultima vreme există tendința de înlocuire a lor).

3. Materiale izolatoare solide

Rășini naturale

Șelacul este un produs fiziologic al unor animale ce trăiesc în India şi Birmania şi are bune calități electroizolante, utilizându-se la fabricarea lacurilor de impregnare sau ca liant la obţinerea unor materiale electroizolante solide.

Colofoniul (sacâz) este o rășină secretată de conifere şi se utilizează ca decapant la lipiturile pe bază de staniu-plumb, precum şi la obţinerea „masei galbene”, cu care se umplu manşoanele cablurilor de înaltă tensiune.

Chihlimbarul este o răşină fosilă cu bune proprietăţi electroizolante, utilizându-se la obţinerea unor lacuri, ce formează la uscare o peliculă dură şi foarte puţin higroscopică.

Răşini sintetice

Polistirenul este o răşină sintetică transparentă, cu proprietăţi electroizolante foarte bune, care se utilizează la obţinerea pieselor ce lucrează în special la frecvenţe înalte, dar este inflamabil.

Policlorura de vinil (PVC) este folosită mai mult la frecvenţe joase, sub formă de plăci, tuburi, folii, piese turnate.

Bachelita este rezistentă la temperatură, utilizându-se în special la obţinerea lacurilor de impregnare, a bobinajelor electrice şi ca liant la obţinerea materialelor stratificate. Materialele stratificate (pertinax, textolit, sticlotextolit) sunt obţinute din straturi subţiri de hârtie, materiale textile sau fibră de sticlă, impregnate cu diverse lacuri.

Cauciucul sintetic este utilizat foarte mult la obţinerea izolaţiei cablurilor flexibile.

Polietilena are bune proprietăţi electroizolante, se utilizează ca izolaţie electrică sub formă de piese sau folii subţiri la bobinarea maşinilor electrice. Şi această răşină este inflamabilă.

Ebonita, de culoare neagră, casantă şi rezistentă la temperatură. Este folosită la turnarea carcaselor, a bornelor aparatajului electric, a mânerelor electroizolante etc.

Alte materiale izolatoare. În electrotehnică sunt folosite şi alte materiale izolatoare de natură anorganică, cum ar fi:

• sticla, folosită la obţinerea izolatoarelor liniilor electrice, la turnarea baloanelor şi tuburilor lămpilor, ca dielectric pentru condensatoare;
• mica, este un dielectric foarte bun şi, totodată, rezistent la temperaturi ridicate, utilizat la fabricarea rezistenţelor electrice;
• ceramica electrotehnică (porţelanul), se utilizează la turnarea izolatoarelor liniilor electrice sau a diferitor piese din aparatele electrice.

4. Materiale semiconductoare

Caracteristicile de bază ale materialelor semiconductoare sunt următoarele: rezistivitatea electrică a materialelor semiconductoare variază neliniar cu temperatura; rezistivitatea lor scade odată cu creșterea temperaturii; prin suprafața de contact între doi semiconductori sau între un semiconductor cu un metal, conducția electrică este unilaterală; natura purtătorilor de sarcină dintr-un semiconductor depinde de natura impurităților existente în semiconductor.

Materialele semiconductoare au rezistivitatea cuprinsă între cea a conductoarelor şi cea a izolatoarelor, variind între 10^-3 și 10⁶ W∙m. Spre deosebire de conductoare, la aceste materiale rezistivitatea scade la creşterea temperaturii. Grupa acestor materiale este destul de mare, conţinând elemente simple ca: germaniul, siliciul, seleniul, teluriul, carbonul, fosforul etc., dar şi compuşi: oxizii unor metale, sulfurile, carburile etc. Dintre materialele semiconductoare, cele mai utilizate sunt: siliciul, germaniul şi seleniul, din care se fabrică majoritatea componentelor active ale circuitelor electronice (diode, tranzistoare, tiristoare, circuite integrate etc.).