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Isolator

Elektrik

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Basiswissen｜ Beispielhafte Materialien｜ Definition über die elektrische Leitfähigkeit｜ Definition über fehlende freie Ladungsträger｜ Elektrische Effekte von Isolatoren｜ Spannungsdurchschlag｜ Influenz｜ Elektrostatik｜ Verschiebungsstrom｜ Fußnoten


Basiswissen


In der Elektrotechnik ist ein Isolator ein Bauteil dessen elektrische Leitfähigkeit um den Faktor hunderttausend bis eine Million niederiger ist als die der zu isolierenden Bauteile.[1][2] In physikalischen Betrachtungen verwendet man für einen Isolator auch das Wort Dielektrikum.[3] Hier die die wesentliche Eigenschaft das Fehlen freier Ladungsträger. Doch selbst Isolatoren mit wenigen freien Ladungsträgern können unter geeigneten Umständen deutlich elektrische Phänomene zeigen und sogar elektrischen Strom in beachtlicher Größe leiten. Ob ein Stoff oder Bauteil wie ein Isolator funktioniert hängt also von den konkreten Umständen ab.



Bildbeschreibung und Urheberrecht
Ein typisches Isolatorbauteil für Hochspannungleitungen. Die schirmartigen Segmente haben eine doppelte Funktion: Sie verängern die Wegstrecke von oberen und unteren Kontakt und verlängern damit den Weg für potentielle Kriechströme (die man niedrig halten will). Zum zweiten werden die unteren Bereiche der Schirme gegen Regen, Staub und Salz geschützt, was wieder die Leitfähigkeit der Oberfläche vermindert. © Unknown ☛


Beispielhafte Materialien


Typische isolierende Stoffe, die in der Elektrotechnik verwendet werden oder wurden sie Seide, Baumwolle oder Zwirn [...] Schellack, Paraffin, Wachs, Asphalt und Porzellan.[2] Ferner isolieren auch recht gut Luft, Bernstein, Glas,Gummik, Keramik, die meisten Kunststoffe[6] sowie auch Holz, destilliertes Wasser und das Vakuum. All diese Materialien würden bei einer haushaltsüblichen Spannung von 230 Volt keinen nennenswerten Strom leiten. Für alltagspraktischen Überlegungen kann man sie als Isolatoren mit isolierender Wirkung bezeichnen.

Definition über die elektrische Leitfähigkeit


Für viele praktische Zwecke ist es nicht schlimm, wenn Ströme fließen, solange sie sehr klein bleiben. Was sehr klein meint, hängt dann wiederum vom Zweck ab. In einem hochsensensiblen Messgerät in der Medizin könnte ein "Irrstrom" mit einer Stärke Mikroampere (0,000001 A) schon schädlich sein. Bei einem vollelektrischen Schiffsantrieb hingegen würden solche Irrströme keinerlei Schaden anrichten. Was als Isolator gelten soll oder nicht ist also relativ zum Zweck. Wohl aus solchen Überlegungen stammt die Definition eines Isolator als Material, dessen Leitfähigkeit um den Faktor 10⁵ bis 10⁶ niedriger ist als die der Materialien, den Strom eigentlich leiten sollen. Die folgende Tabelle von Materialien mit ihren Leitfähigkeiten kann eine erste Idee davon geben, wie groß die Unterschiede sein können.

  • Graphen | Nichtmetall | 100 mal 10 hoch 6 | Graphen ↗
  • Gold | Metall | 45 mal 10 hoch 6 | Gold ↗
  • Eisen | Metall | 10 mal 10 hoch 6 | Eisen ↗
  • Graphit (parallel zu Schichten) | 3 mal 10 hoch 6 | Graphit ↗
  • Graphit (quer zu Schichten) | 3 mal 10 hoch 2 | Graphit ↗
  • Mangan | Metall | 0.69 mal 10 hoch 6 | Mangan ↗
  • Germanium | (Fremdanteil kleiner 10 hoch -9) | 2 mal 10 hoch 0 | Germanium ↗
  • Leitfähige Polymere | 10 hoch −11 bis 10 hoch 5 | Polymer ↗

Die Elektrische Leitfähigkeit σ (kleines Sigma) ist hier angegeben in Siemens pro Meter. Je größer der σ-Wert eines Materials, desto besser leitet es elektrischen Strom. Siehe mehr unter elektrische Leitfähigkeit ↗

Definition über fehlende freie Ladungsträger


DEFINITION:

"In einigen Stoffen […] kann sich ein Teil der enthaltenen negativen Ladung mehr oder weniger frei bewegen. Solche Stoffe bezeichnet man als Leiter. In anderen Stoffen […] ist diese Bewegung negativer Ladungen nicht möglich. Man bezeichnet solche Stoffe entsprechend als Nichtleiter oder Isolatoren."[8]

Elektrischer Strom ist definiert als Bewegung von sehr vielen entweder positiven oder negativen Ladungsträgern in eine gemeinsame Richtung. Wenn man sehr viele Elektronen - und nur diese - gemeinsam in eine bestimmte Richtung bewegt hat man einen Strom. Wenn man sehr viele Elektronen und gleichzeitig auch die gleiche Anzahl von Protonen gemeinsam in eine bestimmte Richtung bewegt, hat man keinen Strom. Für diese Definition wichtig ist die Idee freier Ladungsträger. Als solche gelten Teilchen, die entweder elektrisch positiv oder alternativ elektrisch negativ geladen sind. Hier einige Beispiele:


Für die Elektrotechnik spielen die Elektronen die wichtigste Rolle. Und hier sind es vor allem die Metalle, die als Material sozusagen in sich eine große Anzahl frei beweglicher Elektronen haben. Nicht alle, aber viele Elektronen in einem Metall können sich dann zum Beispiel frei entlang eines Leiters bewegen. In der Chemie, etwa der sogenannten Galvanotechnik, sind auch Anionen und Kationen wichtig, das sind vor allem elektrisch geladene Moleküle oder Atome in Lösungen. Gibt man zum Beispiel Kochsalz in Leitungswasser, löst sich das Salz im Wasser auf und es entstehen geladene Teilchen aus Na⁺ und Cl⁻. Diese sogenannten Ionen können dann als freie Ladungsträger Strom leiten. Destilliertes Wasser (ohne Ionen) ist ein recht gut Isolator, Salzwasser hingegen eher ein guter elektrischer Leiter. In der Physik schließlich können auch andere elektrisch geladene Teilchen, etwa Protonen gemeinsam einen elektrischen Strom ergeben:

DEFINITION:

"Bei den Isolatoren werden alle oder fast alle Valenzelektronen zur Bindung der Atome benötigt. Es gibt deshalb keine oder nur sehr wenige freie elektrische Ladungsträger, so daß in diesen Stoffen auch keine oder fast keine Elektrizitätsleitung erfolgen kann."[7]

Diese Definition aus einem Schulbuch zur Physik in der Oberstufe gilt uneingeschränkt für Gleichststrom. Unter dem Stichwort Verschiebungsstrom werden wir aber weiter unten noch sehen, dass selbst solche Isolatoren ohne freie Elektronen als Teil eines Stromkreises dauerhaft starke Wechselströme ermöglichen können. Diese Ergänzung muss man zur Definition oben hinzufügen.

Elektrische Effekte von Isolatoren


Isolatoren sind keineswegs immung gegen elektrische Phänomene. Im Gegenteil: viele Isolatoren zeigen unter geeigneten Umständen sehr ausgeprägte elektrische Effekte. Dazu stehen hier kurz einige Beispiele.

Spannungsdurchschlag


Luft ist im Normalzustand ein guter Isolator. Wäre es nicht so, würde ständig Strom zwischen den zwei Polen einer Steckdose oder eine Batterie fließen, was aber nicht der Fall ist. Ab einer gewissen Spannung aber wird Luft schlagartig leitend. Der Effekt kann bei gut 100 Volt pro Millimeter auftreten. Dann sieht man Funken oder Lichtbögen. Lies mehr unter Spannungsdurchschlag ↗

Influenz


Reines Wasser gilt mit einer sehr niedrigen elektrischen Leitfähigkeit von etwa 5·10⁻⁶ Ohmmetern als ein guter Isolator. Wer zum Beispiel mit einer Batterie 4,5 Volt und zwei Elektroden eine elektrische Spannung an zwei gegenüberliegende Seiten einer Petrischale anlegt und dann die Schale so mit destilliertem Wasser auffüllt, dass die Elektroden ins Wasser ragen, wird keine nennenswerte Stromstärke messen können. Lädt man aber einen Kunsstoffstab durch Reibung mit einem Lederlappen stark elektrisch auf und hält man diesen geladenen Stab dann nah an einen dünnen Wasserstrahl, so kann man den Strahl aus fallendem Wasser beträchtlich ablenken. Der Effekt tritt auch bei fallenden destilliertem Wasser auf. Dieser einfache Versuch zeigt, dass auch Isolatoren empfänglich gegenüber bestimmten Wirkungen der Elektrizität sind. Das hier zugrundeliege Phänomen ist die sogenannte Influenz ↗

Elektrostatik


Ganz allgemein kann man sagen, dass viele Effekte der Elektrizität, wie zum Beispiel die Influenz, nicht daran gebunden sind, dass dauerhaft elektrische Ladung fließen, also ein elektrischer Strom. Es genügt, dass sich elektrisch Ladungen zueinander verschieben oder elektromagnetische Felder vorhanden sind. An diesen Effekten haben dann auch Isolatoren einen großen Anteil. Siehe dazu mehr unter Elektrostatik ↗

Verschiebungsstrom


Bernstein ist mit einem spezifischen Widerstand von 10¹⁴ bis 10¹⁸ Ωm ein Material mit sehr hohem spezifischem Widerstand und damit an sich ein guter Isolator. Man sollte dann meinen, dass ein elektrischer Stromkreis durch Bernstein sozusagen unterbrochen wird. Doch genau das ist nicht immer der Fall: baut man Bernstein als Isolator oder als sogenanntes Dielektrikum zwischen die zwei Platten eines elektrischen Kondensators, und legt man dann eine Wechselspannung mit hoher Frequenz an die zwei Platten an, so kann man einen durchaus hohen elektrischen Wechselstrom messen. Der Bernstein scheint hier den Stromfluss nicht oder bestenfalls schwach zu verhindern. Tatsächlich ist es für den Effekt nicht nötig, dass Elektronen durch den Bernstein fließen.


ZITAT:

James Clerk Maxwell, 1861: "Wir haben zwei unabhängige Eigenschaften von Körpern, eine, durch die sie den Durchgang von Strom [im Sinne von bewegten Ladungsträgern] ermöglichen, und die andere, durch die sie die Übertragung elektrischer Wirkung durch sie ermöglichen, ohne dass Ladungsträger durchgelassen werden. Ein leitender Körper kann mit einer porösen Membran verglichen werden, die dem Durchgang einer Flüssigkeit mehr oder weniger Widerstand entgegensetzt, während ein Dielektrikum wie eine elastische Membran ist, die für diese Flüssigkeit undurchlässig sein kann, aber den Druck der Flüssigkeit von einer Seite auf die andere Seite überträgt."[4]


Der Bernstein isoliert so gesehen effektiv gegen einem Durchfluss von Elektronen. Aber dadurch dass sich durch den Wechselstrom die Anzahl von Elektronen auf den Kondensatorplatten ständig ändert, ändert sich auch ständig die elektrische Feldstärke in dem dünnen Spalt zwischen den Kondensatorplatten. Und diese zeitliche Änderung der elektrischen Feldstärke kann insgesamt den Stromkreis, anschaulich gesprochen, wieder "heilen". Der zugrunde liegende Effekt ist der sogenannte Verschiebungsstrom ↗

Fußnoten


  • [1] Für die Elektrotechnik ist ein Isolator "allgemein ein Bauteil mit sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit". Der Zweck ist die "Isolation", das heißt die Vermeidung von "Irrströmen" und "Energieverlusten". Ein Isolator ist dabei über die Leitfähigkeit relativ zum isolierenden Stoff defniert: "Dabei muß die Leitfähigkeit des Isolierstoffes mindestens um einen Faktor 10⁵-10⁶ kleiner sein als die des zu isolierenden leitenden Materials." In: der Artikel "Isolator". Spektrum Lexikon der Physik. Abgerufen am 12. November 2025. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/isolator/7558
  • [2] "Isolator, ein Körper, welcher die Elektrizität nicht bezw. nur ganz schlecht leitet". Als Beispiele werden genannt: "Seide, Baumwolle oder Zwirn [...] Schellack, Paraffin, Wachs, Asphalt" In: Lueger, Otto: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 5 Stuttgart, Leipzig 1907., S. 216. Online: http://www.zeno.org/nid/20006050751
  • [3] Ebenfalls als Isolator bezeichnet man ein sogenanntes Dielektrikum, das praktisch keine freien Ladungsträger hat. Ein Dielektrikum ist ein "Material mit sehr hohem spezifischen Widerstand (10⁸-10¹⁴ Ωm). Dielektrika sind damit elektrisch nahezu nichtleitende, aber polarisierbare Substanzen (elektrische Polarisation), weswegen oft das Wort Isolator als Synonym für Dielektrikum verwendet wird. Ein ideales Dielektrikum hat keine freien Ladungsträger". In: der Artikel "Isolator". Spektrum Lexikon der Physik. Abgerufen am 12. November 2025. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/isolator/7558
  • [4] Maxwell beschreibt die Wirkung eines Dielektriums als quasi-Leiter mit folgenden Worten: "we have two independent qualities of bodies, one by which they allow of the passage of electricity through them, and the other by which they allow of electrial action being transmitted through them without any electricity being allowed to pass. A conducting body may be compared to a porous membrane which opposes more or less resistance to the passage of a fluid, while a dielectric is like an elastic membrane which may be impervious to th fluid, but transmits th pressure of the fluid on one side to that on the other." In: James Clerk Maxwell: On Physical Lines of Force. Part III. - The Theory of Molecular Vortices applied to Statical Electricity. In: The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 1861. Dort auf der Seite 14. Online: https://books.google.com/books?id=v1YEAAAAYAAJ&pg=PA14
  • [5] Fallende Wasserstrahlen abzulenken ist ein klassischer Versuch aus der Schulphysik. Hat man die nötigen Materialien griffbereit, ist er in einer Minute durchgeführt. Siehe unter Wasser-Influenz-Versuch ↗
  • [6] In einem Schulbuch der Physik wird der Isolator nur indirekt darüber definiert, dass er den Strom in einem Stromkreis nicht leitet: "Luft unterbricht als guter Isolator den Stromkreis" und "das Lämpchen [leuchtet] nicht". Als Beispiele werden genannt: Luft, Bernstein, Glas, Gummi, Porzellan, Keramik und summarisch "die meisten Kunststoffe". In: Dorn.Bader. Physik Gymnasium Sek I. Schroedel Verlag. 2001. ISBN: 3-507-86262-X. Dort die Seiten 172 und 173.
  • [7] "Bei den Isolatoren werden alle oder fast alle Valenzelektronen zur Bindung der Atome benötigt. Es gibt deshalb keine oder nur sehr wenige freie elektrische Ladungsträger, so daß in diesen Stoffen auch keine oder fast keine Elektrizitätsleitung erfolgen kann." In: Oskar Höfling: Physik. Lehrbuch für Unterricht und Selbststudium. Fünfzehnte Auflage. 1994. ISBN: 3-427-41045-5. Dort im Kapitel " 5.8 Halbleiterelektronik", Seite 601.
  • [8] In einigen Stoffen, beispielsweise den Metallen, im Regenwasser oder auch im menschlichen Körper, kann sich ein Teil der enthaltenen negativen Ladung mehr oder weniger frei bewegen. Solche Stoffe bezeichnet man als Leiter. In anderen Stoffen, wie beispielsweise in Glas, chemisch reinem Wasser oder Plastik, ist diese Bewegung negativer Ladungen nicht möglich. Man bezeichnet solche Stoffe entsprechend als Nichtleiter oder Isolatoren." In: David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker: Halliday. Physik. Englischer Originaltitel: Fundamentals of Physics. Wiley-VCH Weinheim. 2007. ISBN: 978-3-527-40746-0. Dort im Kapitel "22-3 Leiter und Isolatoren", Seite 478.


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