Τι είναι ένας μονωτήρας;

Ένας μονωτής είναι ένα υλικό ή συσκευή που περιορίζει τη ροή ενός ηλεκτρικού ρεύματος. Το γεγονός ότι οι μονωτές μπορούν να διακόψουν ένα ρεύμα σημαίνει ότι είναι χρήσιμοι ως συσκευές που προστατεύουν τους ανθρώπους από την ηλεκτρική ενέργεια. Ένας άλλος τύπος μονωτή είναι ένας θερμικός μονωτήρας, ο οποίος περιορίζει τη ροή της θερμότητας σε μια περιοχή και όχι τη ροή του ηλεκτρισμού.

Μόνωση – Χαμηλή αγωγιμότητα και υψηλή αντίσταση

Πιθανότατα έχετε ακούσει πριν ότι ορισμένα αντικείμενα ή χημικές ουσίες όπως τα μέταλλα και το νερό μεταφέρουν τον ηλεκτρισμό. Αυτό σημαίνει ότι ενισχύουν ή επιτρέπουν στα ηλεκτρικά σωματίδια να ρέουν σε όλη την ουσία ή μέσα από μια περιοχή ελεύθερα. Ένας αγωγός είναι, επομένως, το αντίθετο ενός μονωτή. Οι μονωτές είναι σε θέση να διακόπτουν τη ροή ενός ηλεκτρικού ρεύματος λόγω δύο ιδιοτήτων:χαμηλής αγωγιμότητας και υψηλής ειδικής αντίστασης.

Τα άτομα που βρίσκονται μέσα σε ένα μονωτικό υλικό έχουν ηλεκτρόνια που είναι στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους και εξαιτίας αυτού, δεν κινούνται πολύ στο υλικό. Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια μέσα στο άτομο βρίσκονται σε αρκετά στατικές θέσεις, ένα ηλεκτρικό ρεύμα (το οποίο είναι απλώς η κίνηση των σωματιδίων με ηλεκτρικό φορτίο - όπως τα πρωτόνια που έχουν θετικό φορτίο και τα ηλεκτρόνια που έχουν αρνητικό φορτίο) μπορεί εύκολα να περάσει μέσα από τα άτομα του μονωτή.

Ένα υλικό λέγεται ότι έχει υψηλή αντίσταση όταν μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά την ποσότητα του ρεύματος που διέρχεται από αυτό. Η ιδιότητα της ηλεκτρικής αντίστασης μετριέται με μονάδες που ονομάζονται ohms. Ένα ωμ αντίστασης είναι ίσο με συνθήκες όπου ένα βολτ θα παράγει ένα αμπέρ ρεύματος. Τα Ω είναι πολύ μικρές μονάδες και μπορούν να αυξηθούν εκθετικά καθώς μετακινείστε από πιο αγώγιμα υλικά σε πιο ανθεκτικά υλικά. Ένας αγωγός έχει συχνά μόνο λίγα ohms αντίστασης, ενώ οι μονωτές έχουν δισεκατομμύρια ohms. Ένα υλικό χωρίς αντίσταση αναφέρεται ως υπεραγωγός.

Οι αγωγοί, που είναι το αντίθετο ενός μονωτή, έχουν επίσης αντίθετα χαρακτηριστικά:υψηλή αγωγιμότητα είτε σε θερμότητα είτε σε ηλεκτρικά ρεύματα και χαμηλή αντίσταση. Εάν τα δεσμευμένα ηλεκτρόνια μέσα στα άτομα ενός μονωτή του δίνουν αντίσταση στα ηλεκτρικά ρεύματα, τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται μέσα σε αγωγούς όπως τα μέταλλα δεν είναι στενά συνδεδεμένα και κινούνται μάλλον ελεύθερα. Αυτό σημαίνει ότι η θερμότητα και ο ηλεκτρισμός μπορούν εύκολα να διεισδύσουν στους αγωγούς. Από όλα τα διάφορα μέταλλα, ο χαλκός είναι ένας από τους πιο ευρέως χρησιμοποιούμενους αγωγούς, ειδικά στα σύρματα. Το νερό είναι επίσης εξαιρετικός αγωγός του ηλεκτρισμού, όπως και τα περισσότερα υγρά.

Σημειώστε ότι ενώ οι μονωτές καθιστούν πιο δύσκολη τη μετακίνηση ενός ηλεκτρικού ρεύματος από τη μια περιοχή στην άλλη, κάθε μονωτήρας θα μεταφέρει τελικά ηλεκτρισμό και θερμότητα εάν εκτεθεί σε τάσεις αρκετά υψηλές. Οι εξαιρετικά υψηλές τάσεις θα προκαλέσουν την υποβάθμιση της μόνωσης και το σημείο στο οποίο συμβαίνει αυτό είναι γνωστό ως διηλεκτρική ισχύς - η τάση στην οποία ένας μονωτήρας χάνει τη μονωτική του ικανότητα. Ένα από τα καλύτερα παραδείγματα αυτού είναι ο αέρας, ο οποίος είναι συνήθως ένας αξιοπρεπής μονωτήρας. Ωστόσο, παρά την τεράστια ποσότητα αέρα στην ατμόσφαιρα, ο κεραυνός μπορεί να περάσει ακριβώς μέσα από αυτήν λόγω της υψηλής τάσης που εμπλέκεται στον κεραυνό, η οποία υποβαθμίζει την ικανότητα μόνωσης του αέρα.

Τάσεις διάσπασης

Διάφοροι μονωτές έχουν διάφορες τάσεις διάσπασης ή διηλεκτρικές αντοχές. Για παράδειγμα, το πλαστικό δεν είναι κατάλληλο για χρήση σε βιομηχανικές εφαρμογές, επειδή η τάση διάσπασης δεν είναι πολύ υψηλή. Ωστόσο, το πλαστικό είναι καλό για χρήση σε σπίτια επειδή η τάση εκεί είναι μάλλον χαμηλή. Για βιομηχανικές εφαρμογές χρησιμοποιείται συχνά κεραμικό, επειδή έχει εξαιρετικά υψηλό σημείο διάσπασης.

Διάφοροι τύποι μονωτών περιλαμβάνουν γυαλί, πλαστικό, ξύλο και καουτσούκ. Η μόνωση από πορσελάνη και γυαλί χρησιμοποιείται συχνά σε περιπτώσεις μετάδοσης υψηλής τάσης και το γυαλί ήταν ένας από τους πρώτους μονωτές που χρησιμοποιήθηκαν ευρέως στη μετάδοση ηλεκτρικών ρευμάτων, αν και έκτοτε προτιμώνται συνήθως φθηνότερες εναλλακτικές λύσεις. Το πλαστικό δεν έχει το ίδιο επίπεδο αντίστασης με το γυαλί, αν και εξακολουθεί να είναι αρκετά ανθεκτικό και επομένως χρησιμοποιείται πιο συχνά για μαζική εφαρμογή. Τα πλαστικά χρησιμοποιούνται συχνά για τη μόνωση καλωδίων και καλωδίων.

Το ξύλο είναι επίσης ένας ευρέως χρησιμοποιούμενος μονωτήρας θερμότητας, χάρη στο πόσο πυκνό είναι συχνά το ξύλο. Το ξύλο χρησιμοποιείται συχνά για τη μόνωση αντικειμένων που θα ζεσταθούν, όπως τα μαγειρικά σκεύη. Το καουτσούκ τόσο στη συνθετική όσο και στη φυσική του μορφή χρησιμοποιήθηκε συχνά ως μονωτικό από τα τέλη του 1800 έως τα μέσα του 1950, όταν η διαθεσιμότητα πλαστικού αντικατέστησε σε μεγάλο βαθμό τη χρήση του καουτσούκ. Ωστόσο, το καουτσούκ εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε ορισμένες βιομηχανικές εφαρμογές σήμερα και συχνά συνδυάζεται με πλαστικούς μονωτές.

Το πρώτο μεγάλο ηλεκτρικό σύστημα που χρησιμοποίησε μονωτικά ήταν οι τηλεγραφικές γραμμές. Όταν οι τηλεγραφικές γραμμές προσαρμόζονταν σε ξύλινους στύλους, η απόδοση υποβαθμίστηκε πολύ ειδικά κατά τη διάρκεια της βροχής ή τις ημέρες με υψηλή υγρασία. Μερικές φορές γυάλινοι μονωτές προσαρμόζονταν σε τηλεγραφικούς στύλους για την καταπολέμηση αυτού του προβλήματος. Οι κεραμικοί μονωτές κατασκευάστηκαν στα μέσα του 1800 και χρησιμοποιήθηκαν σε όλο το Ηνωμένο Βασίλειο. Όταν δημιουργήθηκαν οι μονωτές τύπου ανάρτησης, έγινε δυνατή η μετάδοση ισχύος υψηλής τάσης. Όσο μεγαλύτερες και βαρύτερες γίνονταν οι γραμμές ηλεκτρικής μεταφοράς, τόσο καλύτεροι έπρεπε να είναι οι μονωτές τους. Όταν οι τάσεις της γραμμής πέρασαν τα 60.000 V, δημιουργήθηκαν μονωτές με ονομαστική ασφάλεια 80.000 V.

Τύποι μονωτών

Οι τύποι μονωτών που βλέπετε στα ηλεκτροφόρα καλώδια είναι γνωστοί ως μονωτές ανάρτησης, οι οποίοι έχουν καλώδια αναρτημένα μέσω μιας συνενωμένης ομάδας μονωτικών μονάδων σε σχήμα δίσκου. Αυτός ο σχεδιασμός βοηθά στη δημιουργία μονάδων μόνωσης με διαφορετικές τάσεις διάσπασης (ανάλογα με την τάση της γραμμής ισχύος), καθώς οι διάφορες αρθρωτές μονάδες μπορούν απλώς να συνδεθούν μεταξύ τους για να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις μόνωσης.

Σε αντίθεση με την ηλεκτρική μόνωση, η μόνωση που βρίσκεται μέσα στους τοίχους ενός κτιρίου χρησιμοποιείται για να αποτρέψει τη μεταφορά θερμότητας. Η σωστή μόνωση μπορεί να βοηθήσει τα κτίρια να παραμείνουν δροσερά το καλοκαίρι και ζεστά το χειμώνα. Η καλή μόνωση βοηθά επίσης το σπίτι να είναι ενεργειακά αποδοτικό, χωρίς να χρειάζεται να τροφοδοτεί τόσο συχνά AC ή συστήματα θέρμανσης, εξοικονομώντας έτσι χρήματα στους κατοίκους. Η μόνωση κτιρίων μπορεί να κατασκευαστεί από διάφορα υλικά, όπως συνθετικές ίνες ή τσιμεντόλιθους. Η μόνωση από υαλοβάμβακα εισάγεται συχνά στη σοφίτα ή στους τοίχους ενός σπιτιού, ενώ μονωτικές πλαστικές μεμβράνες χρησιμοποιούνται συχνά για την κάλυψη παραθύρων και κουφωμάτων.

Ένας σημαντικός παράγοντας κατά την επιλογή του τύπου μονωτή που θα χρησιμοποιήσετε είναι η διαπερατότητα του αέρα. Η διαπερατότητα του αέρα αναφέρεται στο πόσο εύκολα ο αέρας ρέει μέσα από τους πόρους μέσα στο υλικό. Αυτή είναι μια σημαντική απόφαση όταν πρόκειται για θερμομονωτές. Οι αποτελεσματικοί μονωτές έχουν συχνά ένα χαρακτηριστικό υψηλής διαπερατότητας αέρα, επειδή ο ίδιος ο αέρας λειτουργεί ως μονωτής. Παραδείγματα διαπερατών ουσιών που είναι καλοί μονωτές περιλαμβάνουν υαλοβάμβακα και γάντια φούρνου.