Физика проводимости твердого тела

Средства электроизоляцииотсутствует проводимость электричества. Теория электронных зон (раздел физики) объясняет, что заряд течет, когда квантовое состояние материи достигает состояния, в котором электроны могут быть возбуждены. Если к материалу прикладывается разность потенциалов, это заставляет электроны набирать энергию и, таким образом, двигаться через проводник, например металл. Если такого состояния нет, материал является изолятором.

Большинство изоляторов имеют большую запрещенную зону. Это происходит потому, что «валентная» зона, содержащая электроны с наивысшей энергией, заполнена, и большая энергетическая щель отделяет эту зону от следующей зоны над ней. Всегда существует некоторое напряжение (называемое напряжением пробоя), которое обеспечивает достаточную энергию для возбуждения электронов в эту зону. При превышении этого напряжения происходит электрический пробой, и материал больше не является изолятором и, следовательно, не может передавать заряд. Это часто сопровождается физическими или химическими изменениями, которые необратимо ухудшают материал и его изоляционные свойства.

Когда электрическое поле, приложенное к изолирующему веществу, превышает пороговое поле пробоя вещества в любом месте, изолятор внезапно становится проводником, что приводит к значительному увеличению тока и, следовательно, к возникновению дуги поперек вещества. Это происходит, когда электрическое поле в материале достаточно сильное, чтобы ускорять свободные носители заряда (электроны и ионы, которые всегда присутствуют в низких концентрациях) до скорости, достаточно высокой, чтобы выбивать электроны из атомов, когда они ударяются о них, тем самым ионизируя атомы. . Может произойти электрический пробой. Эти высвободившиеся электроны и ионы, в свою очередь, ускоряются и ударяются о другие атомы, создавая больше носителей заряда в цепной реакции. Изолятор быстро заполняется подвижными носителями заряда и его сопротивление падает до более низкого уровня. В твердых телах напряжение пробоя пропорционально энергии запрещенной зоны. При возникновении коронного разряда воздух в зоне вокруг высоковольтного проводника разрушается и ионизирует его без катастрофического увеличения тока. Однако если зона пробоя воздуха распространяется на другой проводник другого напряжения, между ними образуется токопроводящая дорожка и по воздуху протекает большой ток, создавая дугу. Даже в вакууме может возникнуть своего рода пробой, но в этом случае пробой или вакуумная дуга включает в себя заряды, выбрасываемые с поверхности металлического электрода, а не заряды, генерируемые самим вакуумом.