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Die Menschen können sich ein Leben ohne elektrische Gegenstände wie Handys, Fernseher oder Computer kaum noch vorstellen. Dafür sind vorwiegend elektrische Leiter notwendig. Doch mindestens genauso wichtig sind elektrische, galvanische und topologische Isolatoren. Was diese Beispiele und den allgemeinen Isolator definiert, ist maßgeblich durch den Aufbau gegeben. Tatsächlich wären elektrische Geräte unbrauchbar, wenn elektrische Isolatoren nicht existieren würden.
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Team Isolator Lehrer
Isolatoren findest Du in jedem elektrischen Gerät. Hierbei handelt es sich um elektrische – oder auch galvanische Isolatoren.
Elektrische Isolatoren sind Stoffe, die Strom sehr schlecht leiten. Sie haben wenig bis gar keine freien Ladungsträger.
Wenn sich Ladungsträger gerichtet in eine Richtung bewegen, nennst Du das Strom. Zu den Ladungsträgern gehören die Elementarteilchen Elektronen und Protonen sowie geladene Atome, also Ionen. Hierbei sind Elektronen und Anionen negativ geladen. Protonen und Kationen sind positiv geladen.
Wie muss ein elektrischer Isolator aufgebaut sein, um genau solche Ladungsträger zu blockieren?
Der Aufbau eines elektrischen Isolators unterscheidet sich immer beim verwendeten Stoff. Mit dem sogenannten Energiebändermodell können aber alle Isolatoren verallgemeinert werden.
Das Energiebändermodell trennt die Charakteristik der elektrischen Leitfähigkeit in drei Teile auf. Das Leitungsband, Valenzband und die Bandlücke. Die Ladungsträger – hier Elektronen – eines Stoffes befinden sich in dem Valenzband. Das Leitungsband wird über die Bandlücke vom Valenzband getrennt. Leitungsband und Valenzband haben unterschiedliche Energieniveaus.
Die Erklärung zum Energiebändermodell enthält noch mehr Informationen dazu.
Ein Energieniveau kann im Grunde für jedes System aufgestellt werden. Bei Atomen bestimmen die Schalen, auf denen sich die Elektronen befinden, ebenfalls das Energieniveau der Elektronen.
Die Atommodelle beschreiben den Aufbau von Atomen noch genauer.
Wenn sich Ladungsträger im Leitungsband befinden, sind sie frei beweglich und können Strom leiten. Elektronen im Valenzband sind unbeweglich. In der Bandlücke befinden sich ohne Weiteres keine Elektronen.
Um zu verstehen, was einen Isolator zu einem Nichtleiter macht, kannst Du dessen Energiebänder mit denen eines Leiters vergleichen.
Abb. 1 - Vergleich des Energiebändermodells eines elektrischen Leiters und elektrischen Isolators.
Bei einem elektrischen Leiter ist keine Bandlücke vorhanden. Die Ladungsträger können also ohne Probleme in das Leitungsband übergehen und Strom leiten. Bei dem elektrischen Isolator ist die Bandlücke sehr groß. Somit können die Ladungsträger nicht ohne Hilfe, wie durch Energiezufuhr, in das Leitungsband übergehen.
Das ist der Grund dafür, warum etwa ein Diamant nicht ohne Weiteres Strom leiten kann. Die Bandlücke eines Diamanten gleicht der eines Isolators.
Wie werden Isolatoren im Alltag der Menschen verwendet?
Elektrische Isolatoren unterscheiden sich untereinander außerordentlich. Hierbei ist es also nicht so einfach wie bei den Metallen, die alle eine charakteristische Metallgitterstruktur bilden. Durch den unterschiedlichen Aufbau der Isolatoren finden sie mit ihren vielfältigen Eigenschaften an vielen Stellen des menschlichen Alltags Anwendung.
Wie bereits erwähnt ist ein galvanischer Isolator ebenfalls ein elektrischer Isolator. Er wird eingesetzt, um Stromkreise voneinander zu trennen.
Galvanische Isolatoren trennen Stromkreise über die galvanische Trennung voneinander. Dabei werden zwischen den Stromkreisen elektrisch nicht leitende Stoffe – also Isolatoren – verbaut.
Eine galvanische Trennung ist erforderlich, wenn zwei oder mehrere Stromkreise aufeinander einwirken, aber elektrisch getrennt sein sollen. Dadurch können Störungen bei Mess- oder Audiosignalen vermieden werden.
Nah aneinanderliegende Stromkreise können sich aufgrund von Elektromagnetismus, Induktion und Influenz gegenseitig beeinflussen, obwohl sie nicht miteinander verbunden sind. Mehr zu diesen Phänomenen erfährst Du in „Elektromagnetische Induktion“, „Influenz“ und „Magnetfeld stromdurchflossener Leiter“.
Ein galvanischer Isolator kann aber auch eingesetzt werden, damit kein weiterer Stromkreis entsteht. Wenn etwa an einer Hochspannungsleitung gearbeitet werden soll, ohne dass diese ausgeschaltet wird, muss eine entsprechende Isolation vorliegen. Somit gerät der daran arbeitende Mensch nicht in Lebensgefahr.
Zuletzt werden unterschiedliche Metalle über Isolierung voneinander getrennt. Das erkennst Du etwa bei verlegten Kabeln. Wenn zwei Metalle in Kontakt stehen und gleichzeitig Strom durch sie hindurch fließt, kann ein sogenanntes galvanisches Element entstehen. Hierbei korrodieren – oder rosten – die Metalle und werden somit unbrauchbar.
Ein oft verwendeter Stoff für Isolatoren ist Keramik.
Unter die Kategorie Keramik fällt etwa Ton oder Porzellan. Eine Isolatorform, die aus diesen Stoffen besteht, nennst Du Langstabisolator. Diese findest Du vorwiegend an Hochspannungs-Freileitungen. Die Langstabisolatoren aus Keramik sind in der Regel braun.
Abb. 2 - Langstabisolator aus Keramik.
Langstabisolatoren weisen einen langen Kriechweg auf. Ein Kriechweg ist im Grunde der Abstand, der durch einen
Isolator zwischen zwei Leitern hinzugefügt wird. Durch so einen langen Kriechweg wird die Leitung durchschlagsicher. Ein Durchschlag erfolgt, wenn an einen Leiter eine zu hohe Spannung angelegt wird und ein Stromfluss die Isolation überwinden kann.
Ein weiterer Langstabisolator wird aus Silikon angefertigt.
Ein Langstabisolator aus Silikon unterscheidet sich in der Fertigung sowie auch in den Eigenschaften zu dem aus Keramik. Die Basis dieses Isolators besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Diese wird danach mit Silikon umhüllt.
Silikonisolatoren sind der Form Langstabisolator aus Keramik ähnlich. Sie unterscheiden sich aber eindeutig in der Farbe. Silikonisolatoren sind nämlich in der Regel blau, grau oder weiß.
Abb. 3 - Silikonisolator an einer Stromleitung.
Der Vorteil dieses Isolators ist, dass das Silikon hydrophob ist. Die Oberfläche ist folglich wasserabweisend. Somit ist der Isolator zum einen resistenter gegen Verschmutzung und weist zum anderen eine bessere Isoliereigenschaft bei Nässe auf. Dadurch wird dieselbe Isolierwirkung mit einer kleineren und auch leichteren Baulänge erhalten.
Silikonisolatoren sind, wie bereits erwähnt, mit Glasfasern verstärkt. Glas wird also ebenfalls als Isolator benutzt.
Glas wird bei sogenannten Kappenisolatoren verwendet. Solch ein Isolator besteht aus zwei Bauelementen. Das erste Element ist ein kappenförmiger Isolierkörper aus Glas. Hier kann auch Keramik verwendet werden. Das zweite Element besteht aus einem Metall und wird an der Ober- und Unterseite der Isolierkappe befestigt. Diese zusammengesteckten Bauteile lassen sich beliebig oft aneinanderreihen und somit an die vorhandene Spannung anpassen.
Weiterhin ist der Isolator durch das Aneinanderreihen der Bauteile flexibel. Äußere Kräfte wie Winde wirken sich somit weniger dramatisch auf den Isolator aus.
Abb. 4 - Beispiel für einen Kappenisolator aus Glas.
Der Nachteil von Kappenisolatoren ist, dass durch die metallischen Bauelemente die Durchschlagsicherheit herabgesetzt wird.
Wissenschaftler*innen haben aber auch Isolatoren gefunden, die gleichzeitig die Eigenschaften eines Leiters aufweisen.
Ein Topologischer Isolator verbindet die Eigenschaften eines Leiters und eines Isolators.
Bei einem topologischen Isolator handelt es sich um einen Festkörper, der die Stromleitung auf seiner Oberfläche erlaubt, aber sie in seinem Inneren verhindert.
Einen Topologischen Isolator kannst Du Dir mit zwei Gegenständen zusammenbasteln.
Du benötigst dafür einen Leiter und einen Isolator. Als Leiter kannst Du etwa Aluminiumfolie nehmen. Als Isolator eignet sich ein Stück Glas, Holz oder Keramik. Zuletzt wickelst Du die Aluminiumfolie um Deinen Isolator. Fertig ist Dein eigener topologischer Isolator.
Wenn Du so einen topologischen Isolator nachbaust, dann stecke ihn dennoch niemals in eine Steckdose. Wie schon beschrieben ist die Aluminiumhülle immer noch ein Leiter. Auch wenn Du nur den isolierenden Teil des Isolators berührst, kann der Strom einer Steckdose stark genug sein, um etwa an Deine Hand durchzuschlagen.
Es existiert jedoch ein besonderer und auch essenzieller Unterschied zwischen Deinem topologischen Isolator und dem, den sich die Wissenschaftler ausgedacht haben. Ein topologischer Isolator soll nämlich nur aus einem Material bestehen und nicht zwei unterschiedliche Gegenstände verbinden.
Die Anwendung eines topologischen Isolators wird in der Quanteninformationsspeicherung und Nanoelektronik untersucht.
Elektrische Isolatoren sind also mindestens genauso wichtig wie elektrische Leiter. Ohne sie könnten sich unterschiedliche Stromkreise kontinuierlich gegenseitig beeinflussen, wodurch es zu etlichen Kurzschlüssen oder Fehlmessungen kommen würde. Weiterhin werden Menschen, die mit Stromleitungen in Kontakt kommen, durch elektrische Isolatoren geschützt.
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Was ist ein Isolator?
Ein Isolator ist ein Stoff, welcher keinen elektrischen Strom leiten kann.
Warum ist der Diamant ein elektrischer Isolator?
Der Diamant hat nach dem Energiebändermodell eine große Energielücke. Diese kann nur mit sehr viel Energie überwunden werden, wodurch der Diamant normalerweise ein Isolator ist.
Warum können Isolatoren keinen Strom leiten?
Isolatoren besitzen kleine freien Elektronen. Nach dem Energiebändermodell ist die Energielücke von Isolatoren zu groß, um ohne weitere überwunden zu werden. Es wird hierbei so viel Energie benötigt, wodurch sogar der Isolator selbst beschädigt werden kann.
Was ist der beste Isolator?
Die Menschen benutzen vorwiegend Keramik, Glas, Luft und Gummi als Isolatoren.
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Lily Hulatt ist Digital Content Specialist mit über drei Jahren Erfahrung in Content-Strategie und Curriculum-Design. Sie hat 2022 ihren Doktortitel in Englischer Literatur an der Durham University erhalten, dort auch im Fachbereich Englische Studien unterrichtet und an verschiedenen Veröffentlichungen mitgewirkt. Lily ist Expertin für Englische Literatur, Englische Sprache, Geschichte und Philosophie.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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