Szilárd vezetési fizika

Az elektromos szigetelés azt jelentinincs elektromosság vezetése. Az elektronikus sávelmélet (a fizika egyik ága) megmagyarázza, hogy a töltés akkor áramlik, amikor az anyag kvantumállapota elér egy olyan állapotot, amelyben az elektronok gerjeszthetők. Ha potenciálkülönbséget alkalmazunk egy anyagon, akkor az elektronok energiát nyernek, és így áthaladnak egy vezetőn, például egy fémen. Ha nincs ilyen állapot, akkor az anyag szigetelő.

A legtöbb szigetelő nagy sávrésekkel rendelkezik. Ez azért történik, mert a legnagyobb energiájú elektronokat tartalmazó "valencia" sáv megtelt, és egy nagy energiarés választja el ezt a sávot a felette lévő következő sávtól. Mindig van valamilyen feszültség (úgynevezett letörési feszültség), amely elegendő energiát biztosít az elektronok gerjesztéséhez ebbe a sávba. Ha ezt a feszültséget túllépik, elektromos meghibásodás következik be, és az anyag már nem szigetelő, ezért nem tudja továbbítani a töltést. Ez gyakran olyan fizikai vagy kémiai változásokkal jár együtt, amelyek tartósan rontják az anyagot és annak szigetelő tulajdonságait.

Amikor a szigetelőanyagra kifejtett elektromos tér bármely helyen meghaladja az anyag letörési mezőjének küszöbértékét, a szigetelő hirtelen vezetővé válik, ami nagymértékben megnövekszik az áramáramlásban, és így az anyagon átívelő ívet okoz. Ez akkor fordul elő, ha az anyagban lévő elektromos mező elég erős ahhoz, hogy a szabad töltéshordozókat (elektronokat és ionokat, amelyek mindig alacsony koncentrációban vannak jelen) olyan sebességre gyorsítsa fel, amely elég nagy ahhoz, hogy az elektronokat lecsapja az atomokról, amikor becsapódik, és ezáltal ionizálja az atomokat. . Elektromos meghibásodás léphet fel. Ezek a felszabaduló elektronok és ionok felgyorsulnak, és más atomokba ütköznek, több töltéshordozót hozva létre a láncreakció során. A szigetelő gyorsan megtelik mobil töltéshordozókkal és ellenállása alacsonyabb szintre csökken. Szilárd testekben a letörési feszültség arányos a sávköz energiájával. Amikor koronakisülés lép fel, a nagyfeszültségű vezető körüli levegő lebomlik és ionizálja azt anélkül, hogy katasztrofálisan megnőne az áramerősség. Ha azonban a levegő áttörési területe egy másik, eltérő feszültségű vezetőre terjed ki, akkor közöttük vezető út alakul ki, és nagy áram folyik át a levegőn, ívet hozva létre. Még a vákuum is szenvedhet valamilyen meghibásodást, de ebben az esetben a letörés vagy a vákuumív inkább a fémelektróda felületéről kilökődő töltéseket foglal magában, nem pedig maga a vákuum által keltett töltéseket.