Fysica van vaste geleiding

Elektrische isolatie betekenter is geen geleiding van elektriciteit. De elektronische bandentheorie (een tak van de natuurkunde) legt uit dat lading stroomt wanneer de kwantumtoestand van materie een toestand bereikt waarin elektronen kunnen worden opgewonden. Als er een potentiaalverschil over een materiaal wordt aangelegd, zorgt dit ervoor dat elektronen energie winnen en zo door een geleider, zoals een metaal, bewegen. Als een dergelijke toestand niet bestaat, is het materiaal een isolator.

De meeste isolatoren hebben grote bandafstanden. Dit gebeurt omdat de "valentieband" die de elektronen met de hoogste energie bevat, vol is, en een grote energiekloof deze band scheidt van de volgende band erboven. Er is altijd een bepaalde spanning (de doorslagspanning genoemd) die voldoende energie levert om elektronen in deze band te laten aanslaan. Zodra deze spanning wordt overschreden, treedt elektrische storing op en is het materiaal niet langer een isolator en kan het daarom geen lading meer overdragen. Dit gaat vaak gepaard met fysieke of chemische veranderingen die het materiaal en zijn isolerende eigenschappen permanent aantasten.

Wanneer het elektrische veld dat wordt aangelegd op een isolerende substantie het drempeldoorslagveld van de substantie op welke locatie dan ook overschrijdt, wordt de isolator plotseling een geleider, waardoor een grote toename van de stroom ontstaat en dus een boog over de substantie. Het treedt op wanneer het elektrische veld in een materiaal sterk genoeg is om de vrije ladingsdragers (elektronen en ionen, die altijd in lage concentraties aanwezig zijn) te versnellen tot een snelheid die hoog genoeg is om elektronen van atomen af ​​te slaan wanneer ze erop slaan, waardoor de atomen worden geïoniseerd. . Er kan een elektrische storing optreden. Deze vrijgekomen elektronen en ionen worden op hun beurt versneld en raken andere atomen, waardoor er meer ladingsdragers ontstaan ​​in een kettingreactie. De isolator raakt snel vol met mobiele ladingsdragers en de weerstand daalt naar een lager niveau. In vaste stoffen is de doorslagspanning evenredig met de energie van de bandafstand. Wanneer er een corona-ontlading plaatsvindt, wordt de lucht in het gebied rond een hoogspanningsgeleider afgebroken en ioniseert deze zonder een catastrofale toename van de stroom. Als het luchtdoorslaggebied zich echter uitstrekt tot een andere geleider met een andere spanning, wordt er een geleidend pad tussen gevormd en stroomt er een grote stroom door de lucht, waardoor een boog ontstaat. Zelfs een vacuüm kan op de een of andere manier kapot gaan, maar in dit geval gaat het bij de doorslag of vacuümboog om ladingen die uit het oppervlak van de metalen elektrode worden uitgestoten in plaats van ladingen die door het vacuüm zelf worden gegenereerd.