材料的電性質
絕緣體
絕緣體(insulator)是幾乎拒絕載送電流的材料,它擋住電荷而非搬運它。這就是電線外的橡膠、插頭的塑膠外殼、高壓電塔上的陶瓷礙子、窗戶的玻璃。如果導體是電子的開闊高速公路,絕緣體就是一道牆:電子被牢牢鎖在鍵結裡,無處可去。
用能帶理論來說,絕緣體有一個完全填滿的價帶與一個完全空的導帶,中間隔著一個很大的能隙,通常大於約 3 到 4 電子伏特(electron-volt)。要讓電流流動,你必須把電子整個抬過那道能隙送進空的導帶,而在一般溫度下,幾乎沒有電子有足夠的熱能完成這一跳。所以載子數 n 基本上維持在零,導電率極小,常低於 10^-10 S/m,對石英或優良高分子等材料甚至一路降到 10^-16 S/m 以下。它們的鍵結通常是離子鍵(像食鹽或氧化鋁)或強共價鍵(像鑽石),兩者都把每個電子釘死。
絕緣體有兩大用途:把電流留在該在的地方(電纜外皮),以及儲存電荷與能量而不漏掉(電容器內的介電質)。但沒有絕緣體是完美的。電壓推得夠高時,電場會把電子一次全部扯開,這就是介電崩潰(dielectric breakdown),材料突然導電,往往自我毀滅(空氣中的火花、被擊穿的電容器)。它在崩潰前能承受的最大電場,就是它的介電強度(dielectric strength),是重要的設計上限。
鑽石和銅大體上都由單一元素構成,但鑽石的碳原子被鎖在強共價鍵中,能隙約 5.5 eV,是極佳的絕緣體;而銅鬆散的電子海使它成為最好的導體之一。同樣的道理、相反的結果,完全由鍵結與能隙大小決定。
大能隙加上被牢牢鍵結的電子等於絕緣體。推得太用力它就會崩潰。
「絕緣體」與「介電質」重疊但不完全相同:每種介電質都是好絕緣體,但「介電質」強調材料極化並儲存電荷的能力,而「絕緣體」強調它阻擋電流的能力。
又称
另见