Isolator
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Ein Isolator in der Elektrotechnik ist eine Substanz, die keinen elektrischen Strom leitet und daher als Isolierung wirkt. Ein Isolator hat einen spezifischen Widerstand von typischerweise mehr als 1010 Ωm. Die Eigenschaften von Isolatoren können von der Temperatur und von der Umgebung abhängig sein. Üblicherweise ändert sich die Leitfähigkeit eines Isolators mit steigender Temperatur wenig.
Man muss Isolatoren von Halbleitern unterscheiden. Auch Halbleiter haben oft eine geringe Leitfähigkeit. Diese wird aber schnell größer, wenn der Halbleiter erwärmt wird.
Auch bei anderen Phänomenen der Leitfähigkeit, z. B. thermische Leitfähigkeit oder akustische Leitfähigkeit, spricht man von Isolatoren, wenn Stoffe eine geringe Leitfähigkeit aufweisen (Wärmeisolator, Schallisolator, Feuchtigkeitsisolator).
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Beispiele für elektrische Isolatoren
Beispiele für elektrische Isolatoren sind
- viele Keramiken (zu beachten ist, dass einige Keramiken bei tiefen Temperaturen zu Supraleitern werden!)
- viele organische Verbindungen
- Gläser
- trockene Salze
- die meisten Nichtmetalle,
- Gase (soweit sie nicht bei hohen Temperaturen als Plasma vorliegen)
- Kohlenstoff in der Modifikation Diamant
- Silikon
Anwendungen
Isolatoren finden in der Technik vielfache Anwendung. Sie dienen insbesondere dazu
- Kurzschlüsse zu vermeiden
- elektrische und elektronische Bauteile voneinander zu trennen
- Schalter zu bauen
- zur Befestigung von Leiterseilen von Freileitungen
Bauarten
Als Isolatoren für Fernsprechfreileitungen und Niederspannungsfreileitungen werden meist knopfförmige Keramikkörper gewählt, um deren Kappe das Leiterseil mit einer speziellen Schlinge geschlungen wird. Sie sind im Regelfall stehend auf den Masten montiert.
Für Mittelspannung (Bereich 1 kV bis 30 kV) werden meist Isolatoren aus Glas oder Keramik verwendet, die zur Erhöhung des Kriechwegs gerippt sind. Die Leiterseile werden mit besonderen Klemmen befestigt, deren Bauart je nach Anwendungszweck (Trag- oder Abspannklemme) unterschiedlich ist. Es gibt in diesem Spannungsbereich sowohl auf den Traversen der Masten stehende als auch an diesen hängende Isolatoren. Stehende Isolatoren ermöglichen geringere Masthöhen und bieten durch die Mastkonstruktion eine Sicherheit vor dem Herabfallen des Leiterseils, während hängende Isolatoren größere Kräfte auszuhalten vermögen. Sie können für erhöhte statische Anforderungen auch doppelt (nebeneinander angeordnet) sein. In diesem Fall kann ein Isolator im Fall eines Isolatorbruchs noch das Leiterseil tragen. Isolatoren zur Befestigung von Oberleitungen (Fahrleitungen) unterscheiden sich nicht grundlegend von denen für Freileitungen, müssen aber für die besonderen mechanischen Belastungen der Oberleitung ausgelegt sein. Isolatoren für Stromschienen müssen die schwere Stromschiene tragen. Häufig dient auch eine vorhandene Schutzabdeckung als Isolation zur isolierten Befestigung wie bei der Berliner S-Bahn.
Isolatoren für Hochspannung (30 kV bis 150 kV) werden nur in hängender Ausführung verwendet. Die Technik der Befestigung der Leiterseile unterscheidet sich nicht von der im Mittelspannungsbereich angewandten Technik. Häufig werden Doppelisolatoren verwendet. Für Bahnstromleitungen werden die gleichen Typen wie für Drehstromleitungen verwendet.
Isolatoren für Höchstspannungen (> 150 kV) werden häufig als Ketten aus zwei oder mehreren Isolatoren für Hochspannung hergestellt (Isolatorkette). Daneben kommen auch Langstabisolatoren zum Einsatz. Als Materialien werden neben Glas und Porzellan vermehrt auch hochfeste Kunststoffe verwendet. In Deutschland werden für 380 kV-Leitungen grundsätzlich doppelte Isolatoren verwendet. Für sehr hohe statische Anforderungen können auch drei oder vier parallele Langstabisolatoren oder Isolatorketten verwendet werden. Isolatoren für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung unterscheiden sich prinzipiell nicht von den für Drehstrom verwendeten Typen. Allerdings müssen sie bei gleicher Betriebsspannung im Regelfall länger sein als für Drehstromanwendungen, da sie leicht verschmutzen.
Für Hochfrequenzanwendungen werden zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten meist glatte Isolatoren verwendet. Besondere Anforderungen werden an die Isolatoren von selbststrahlenden Sendemasten gestellt, denn diese müssen bei hohen Sendeleistungen Spannungen von bis zu 300 kV und Lasten von bis zu 1000 Tonnen tragen können. Man verwendet hierfür zur Isolation der Pardunen Gurtbandisolatoren aus Steatit und zur Isolierung der Türme und Masten Hohl- oder Massivkörper aus Steatit, auf denen exakt passend der Aufliegekörper, der den Turm oder Mast trägt, befestigt ist. Der Isolator muss bis zum Einbau in einer Preßvorrichtung liegen. Der Turm oder Mast wird zum Einbau des Isolators hydraulisch gehoben und langsam auf dem Isolator abgesetzt.
Optischer Isolator
Unter einem optischen Isolator versteht man eine sog. optische Diode, also ein Ventil für Licht, ein Bauteil, das Licht in eine Richtung passieren lässt und es in der anderen Richtung sperrt. Das funktioniert jedoch nur mit polarisiertem Licht: in einer Richtung wird dessen Polarisationsrichtung um 90° gedreht, in der anderen jedoch nicht. Den gedrehten Anteil kann man mit Polarisationsfiltern oder schrägen dielektrischen Spiegeln (Brewsterfenster) entfernen.
Isolator als Bauelement der Hochfrequenztechnik
In der Hochfrequenztechnik ist ein Isolator ein Bauelement mit zwei Anschlüssen (Ports), dass die elektromagnetische Leistung nur in eine Richtung passieren lässt, während in Gegenrichtung idealerweise keine Leistung übertragen wird. Das in der Praxis endliche Übertragungsverhältnis zwischen Vor- und Rückrichtung wird als Isolation bezeichnet.
In der Regel wird ein Isolator mit Hilfe eines Zirkulators realisiert, bei dem einer der drei Ports mit einem Abschlusswiderstand versehen ist. Die Signale werden auf diese Weise zwischen den verbleibenden zwei Ports nur in eine Richtung weitergeleitet, in der anderen Richtung werden sie auf den Abschlusswiderstand umgeleitet und dort in Wärme umgesetzt.
Siehe auch
Nichtleiter, elektrische Leitfähigkeit, elektrischer Widerstand, Leiter, Dielektrikum, Zirkulator
