Fisica della conduzione solida

Mezzi di isolamento elettriconon c'è conduzione di elettricità. La teoria delle bande elettroniche (una branca della fisica) spiega che la carica fluisce quando lo stato quantistico della materia raggiunge uno stato in cui gli elettroni possono essere eccitati. Se viene applicata una differenza di potenziale attraverso un materiale, ciò fa sì che gli elettroni guadagnino energia e quindi si muovano attraverso un conduttore, come un metallo. Se non esiste tale stato, il materiale è un isolante.

La maggior parte degli isolanti presenta ampie bande proibite. Ciò accade perché la banda di "valenza" contenente gli elettroni a più alta energia è piena e un ampio divario energetico separa questa banda dalla banda successiva sopra di essa. C'è sempre una tensione (chiamata tensione di rottura) che fornisce energia sufficiente affinché gli elettroni vengano eccitati in questa banda. Una volta superata questa tensione si verifica un guasto elettrico e il materiale non è più un isolante e quindi non può più trasferire carica. Ciò è spesso accompagnato da cambiamenti fisici o chimici che degradano permanentemente il materiale e le sue proprietà isolanti.

Quando il campo elettrico applicato a una sostanza isolante supera la soglia del campo di rottura della sostanza in qualsiasi punto, l'isolante diventa improvvisamente un conduttore, provocando un grande aumento nel flusso di corrente e quindi un arco attraverso la sostanza. Si verifica quando il campo elettrico in un materiale è sufficientemente forte da accelerare i portatori di carica liberi (elettroni e ioni, che sono sempre presenti in basse concentrazioni) a una velocità sufficientemente elevata da staccare gli elettroni dagli atomi mentre li colpiscono, ionizzando così gli atomi . Potrebbe verificarsi un guasto elettrico. Questi elettroni e ioni rilasciati vengono a loro volta accelerati e colpiscono altri atomi, creando più portatori di carica in una reazione a catena. L'isolante si riempie rapidamente di portatori di carica mobili e la sua resistenza scende ad un livello inferiore. Nei solidi, la tensione di rottura è proporzionale all'energia del gap di banda. Quando si verifica una scarica corona, l'aria nell'area attorno a un conduttore ad alta tensione si rompe e lo ionizza senza un aumento catastrofico della corrente. Tuttavia, se l'area di rottura dell'aria si estende a un altro conduttore con tensione diversa, tra di essi si forma un percorso conduttivo e una grande corrente scorre attraverso l'aria, creando un arco. Anche il vuoto può subire qualche tipo di guasto, ma in questo caso, il guasto o l'arco del vuoto coinvolge cariche espulse dalla superficie dell'elettrodo metallico piuttosto che cariche generate dal vuoto stesso.