
在汉英词典视角下,“绝缘体”指具有极高电阻、阻碍电荷定向移动的物质。其核心特征与工程应用如下:
电学定义
绝缘体(Insulator)指电阻率超过 $10 Omegacdottext{m}$ 的材料,价带与导带间存在宽禁带(通常 >3 eV),常温下自由电子极少。典型例子包括陶瓷($text{Al}_2text{O}_3$)、橡胶(天然/合成)、玻璃及干燥木材。
微观机制
原子核对价电子束缚力强,电子难以脱离原子核形成自由载流子。能带理论表明,满带与空带间禁带宽度 $E_g$ 满足:
$$ E_g gg kT $$
其中 $k$ 为玻尔兹曼常数,$T$ 为热力学温度。
电力安全
高压输电线塔采用陶瓷绝缘子(如盘形悬式绝缘子),击穿电压达 100 kV 以上,防止电流泄漏至支撑结构。
电子封装
环氧树脂模塑料(EMC)封装集成电路,其体积电阻率 >$10^{15} Omegacdottext{cm}$,阻隔引脚间短路风险。
特性 | 绝缘体 | 导体 |
---|---|---|
电阻率 | >$10 Omegacdottext{m}$ | <$10^{-5} Omegacdottext{m}$ |
载流子密度 | $<10^{10} text{cm}^{-3}$ | $>10^{22} text{cm}^{-3}$ |
温度系数 | 负温度系数 (NTC) | 正温度系数 (PTC) |
权威参考来源:
- 《牛津物理学词典》能带理论条目
- 美国物理学会《应用物理评论》电介质专题
- IEEE Std 4-2013 高电压试验标准
- 《电子封装材料学》(清华大学出版社)
“绝缘体”是物理学中的一个重要概念,指在常规条件下难以导电或导热的一类物质。以下是详细解释:
基本定义
绝缘体的核心特征是其内部自由电荷极少,无法形成有效电流。在电学中,它表现为电阻率极高(通常超过$10 Omegacdot m$),例如橡胶、玻璃、陶瓷等;在热学中,则表现为导热系数低,如木材、泡沫塑料。
微观原理
其绝缘特性源于能带结构:价带和导带之间存在较宽的禁带($E_g > 3 text{eV}$),电子难以获得足够能量跃迁到导带。这种特性可通过薛定谔方程推导:
$$
hat{H}psi = Epsi
$$
其中周期性势场导致能级分裂为允带和禁带。
分类与实例
应用场景
广泛应用于电力系统(如电缆绝缘层)、电子元件封装(防止短路)、建筑保温材料(岩棉隔热)等领域。其击穿电压值(如空气约$3 text{kV/mm}$)是工程设计的关键参数。
对比扩展
与导体(铜、铝)和半导体(硅、锗)形成连续谱系:导体禁带宽度$E_g approx 0$,半导体$E_g < 3 text{eV}$。特殊情况下,绝缘体在高温/强场中可能发生击穿变为导体。
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