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Aus dem Facharchiv: Lernen & Können
Werkstoffkunde – Elektrische Isolierstoffe – ein Überblick (9)

Isolierwerkstoffe gelten in der Elektrotechnik als nichtleitendes Material, das nur eine extrem geringe und somit vernachlässigbare elektrische Leitfähigkeit hat. Isolierstoffe werden in der Elektrotechnik u. a. dafür verwendet, den elektrischen Stromfluss zwischen spannungsführenden Teilen zu begrenzen.

Kabelisolation aus verschiedenen Kunststoffen (Bild: https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:MICCCable.jpg)

Kabelisolation aus verschiedenen Kunststoffen (Bild: https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:MICCCable.jpg)

Isolierstoffe

Im Alltag sind mit dem Begriff Isolierstoff allgemein alle Dämmstoffe gemeint, die eine Energie- oder Stoffübertragung weitgehend verhindern sollen, beispielsweise

•    Wärme (Wärmedämmung),
•    Schall (Schalldämmung) oder auch
•    Wasserdampf (z. B. Anstrichstoffe) und
•    Wasser (Bauwerksabdichtung).

Elektrische Isolierstoffe

Elektrische Isolierwerkstoffe zeichnen sich durch eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit und ein geringes Wasseraufnahmevermögen aus. Weitere Anforderung an den Isolierstoff sind je nach Anwendungsbereich mechanische Festigkeit und Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen.
Elektrische Isolierstoffe haben einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand und gelten daher als Nichtleiter.

Wichtige Eigenschaften sind eine hohe Kriechstromfestigkeit und thermische Belastbarkeit. Die thermische Belastbarkeit wird durch Isolierstoffklassen angegeben.

Im Gegensatz zum elektrischen Strom können elektromagnetische Felder (abhängig von Frequenz und Wellenlänge) Isolierstoffe in unterschiedlichem Ausmaß durchdringen. Sind diese Felder nicht erwünscht, müssen Kabel dagegen zusätzlich abgeschirmt werden.

Heute verwendete elektrotechnische Isolierstoffe sind primär

•    verschiedenartige Kunststoffe (Bild),
•    technische Keramiken,
•    getränkte Spezialpapiere und
•    Glas.

Schutz gegen elektrischen Schlag

Isolierstoffe sind sehr schlecht leitende Stoffe. Sie behindern das Fließen eines elektrischen Stroms so stark, dass der verbleibende Strom so gering ist, dass er kaum noch messbar ist. Auf diesem Wege wird sichergestellt, dass spannungführende Teile von Lebewesen so getrennt werden, dass damit ein Schutz gegen den elektrischen Schlag realisierbar wird.

Z. B. wird durch die Isolierung elektrischer Leitungen ein Berührungsschutz hergestellt.

Betriebsisolierung: Bei mehradrigen Leitungen wird das Berühren der einzelnen metallischen Adern verhindert.

Schutzisolierung: Bei Berührung des Kabelmantels wird ein Stromfluss unterbunden.

Kennwerte

Permittivität: Die Permittivitätszahl μr gibt an, um wievielmal die Kapazität eines Kondensators größer wird, wenn anstelle von Luft (bzw. Vakuum) ein anderer Isolierstoff verwendet wird. Je nach Isolierstoff ist die Permittivitätszahl mehr oder minder stark frequenzabhängig.

Spezifischer Durchgangswiderstand: Der Oberflächenwiderstand wird aus dem gemessenen Durchgangswiderstand, der Messfläche und der Probendicke berechnet. Er gibt Aufschluss über den an der Oberfläche eines Isolierstoffes herrschenden Isolationswiderstandes.

Verlustfaktor: Der dielektrische Verlustfaktor tan δ ist ein Maß für die „schwach leitenden“ Verluste. Er ist der Tangens des Winkels, um den bei einem Kondensator die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom von 90° abweicht.

Durchschlagsfestigkeit: Unter der Durchschlagfeldstärke Ed versteht man die Durchschlagspannung bezogen auf die Werkstoffdicke. Unter der Durchschlagspannung Ud versteht man die Spannung, bei der der Durchschlag gerade noch nicht erfolgt (Durchschlagfestigkeit).

Kriechstromfestigkeit: Ein Kriechstrom ist der Strom an der Oberfläche eines Isolierstoffes, hierbei bilden leitfähige Verunreinigungen den Weg für den Strom. Durch diesen Kriechstrom können Isolierstoffe verkohlen. Auch rillenartige Aushöhlungen können auftreten, die man Kriechspuren nennt. Eine ununterbrochene Kriechspur von einem spannungsführenden Teil zum anderen nennt man Kriechweg. Unter Kriechstromfestigkeit versteht man die Widerstandsfähigkeit des Isolierstoffes gegen das Entstehen von Kriechspuren durch Ströme auf der Oberfläche des Isolierstücks. In der Praxis ist die Kriechstromfestigkeit von Bedeutung bei Hochspannungsisolatoren und in Schaltanlagen.

Einteilung von Isolierstoffen

Die Verwendbarkeit von Isolierstoffen hängt von den elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften ab. Die Auswahl beeinflusst ferner die Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse. Zudem sind die Möglichkeiten der Formgebung und der Verarbeitung maßgebliche Entscheidungskriterien. In der Elektrotechnik werden Isolierstoffe in lsolierstoffklassen eingeteilt.

Die Isolierstoffe können in allen bekannten Aggregatzuständen (fest, flüssig oder gasförmig) vorkommen. Des Weiteren unterteilt man sie in anorganische und organische Isolierstoffe. Die anorganischen Isolierstoffe bestehen aus Mineralien der Erdkruste (z. B. Glimmer). Häufig werden Naturstoffe als Beimengung zur Herstellung von anderen Stoffen (z. B. von Keramik, Glas oder Porzellan) verwendet.

In den Anfängen der Elektrotechnik spielten die anorganischen Isolierstoffe eine große Rolle. Früher wurden vielfach natürliche Werkstoffe eingesetzt, die heute zunehmend durch Kunststoffe ersetzt werden.

Anorganische Isolierstoffe

Damit sind Natursteine gemeint, die heute in der Praxis aber kaum noch Verwendung finden. Nicht mehr zum Einsatz kommen Schiefer, Marmor und Asbest.

Glimmer

Glimmer gehört in die Mineraliengruppe der Schichtsilikate. Man findet es als schichtförmige Trennungen in verschiedenen Gesteinsarten wie Granit, Diorit und Peridotit.

Eigenschaften:
•    lässt sich in dünne Blätter aufspalten,
•    diese Blätter sind biegsam, elastisch,
•    lässt sich relativ gut mechanisch weiterverarbeiten (sägen, bohren, stanzen…),
•    besitzt eine hohe Durchschlagsfestigkeit und einen hohen spezifischen  Widerstand,
•    ist ein hoch wärmefester Werkstoff (Schmelzpunkt bei 1 380 °C),
•    säurebeständig.

Anwendung in der Elektrotechnik:
•    Isolation in Heizkörpern,
•    Lamellenisolation in Kollektoren,
•    als Dielektrikum in Kondensatoren.

Keramik

Keramik besteht aus wasserlöslichen Materialien (Ton, Feldspat). Als Füllmittel dienen häufig Quarz und Metalloxide. Eine Rohmasse wird in die gewünschte Form gebracht und dann gebrannt. Die anfangsplastischen Eigenschaften gehen verloren, das Erzeugnis wird hart (formstabil).

Eigenschaften:
•    zerbrechlich,
•    ein harter, druckfester Isolierstoff,
•    kriechstromfest,
•    temperaturbeständig bis etwa 1 000 ° C.

Anwendung in der Elektrotechnik:
•    Isolatoren in der Hochspannungstechnik,
•    Dielektrikum (Kondensatorkeramik).

Porzellan

Porzellan wird aus Kaolin und Feldspat hergestellt, dem wird Quarz beigemischt.

Eigenschaften:
•    spröde,
•    sehr beständig gegen chemische Einflüsse,
•    gering zug- und druckfest.

Anwendung in der Elektrotechnik:
•    Isolatoren,
•    Sicherungselemente.

Steatit

Steatit wird aus gemahlenem Speckstein (Magnesiumsilikat) durch Pressen und Sintern hergestellt.

Eigenschaften:
•    sehr gut Maßgenauigkeit,
•    sehr geringe dielektrische Verluste,
•    doppelte Zug- und Druckfestigkeit gegenüber Porzellan.

Anwendung in der Elektrotechnik:
•    Sockelteile in Schaltern, Steckdosen und Sicherungselementen,
•    Trägermaterial für Drahtwiderstände,
•    Heizwendelkern.

Glas

Bei der Herstellung von Glas wird Quarzsand mit Soda, Pottasche, Natriumsulfat und Kalkstein gemischt und erhitzt. Dabei wird aus einer zähen Flüssigkeit durch Ziehen, Pressen, Walzen und Blasen die gewünschte Form hergestellt.

Eigenschaften:
•    transparent,
•    hart, spröde,
•    guter Isolator bis etwa. 700 °C (Quarzglas bis 1 000 °C)
•    durch Zusätze lassen sich UV- und Lichtbrechung verändern,
•    kriechstromfest,
•    hohe Durchschlagsfestigkeit.

Anwendung in der Elektrotechnik:
•    Glühlampen, Röhren und Lampenkolben,
•    Quarzglas wird vor allem bei Lampenkolben mit hohen Drücken und Temperaturen sowie UV-Anteilen verwendet (z. B. Brenner von Hochdruckdampflampen).

Autor: K.-H. Bleiß

Der vollständige Beitrag ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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