Festkörperleitungsphysik

Elektrische IsolationsmittelEs gibt keine Stromleitung. Die Elektronenbandtheorie (ein Zweig der Physik) erklärt, dass Ladung fließt, wenn der Quantenzustand der Materie einen Zustand erreicht, in dem Elektronen angeregt werden können. Wenn an ein Material eine Potentialdifferenz angelegt wird, gewinnen Elektronen Energie und bewegen sich so durch einen Leiter, beispielsweise ein Metall. Liegt ein solcher Zustand nicht vor, handelt es sich bei dem Material um einen Isolator.

Die meisten Isolatoren haben große Bandlücken. Dies geschieht, weil das „Valenz“-Band, das die Elektronen mit der höchsten Energie enthält, voll ist und eine große Energielücke dieses Band vom nächsten Band darüber trennt. Es gibt immer eine gewisse Spannung (die sogenannte Durchbruchspannung), die genügend Energie liefert, damit Elektronen in dieses Band angeregt werden können. Sobald diese Spannung überschritten wird, kommt es zum elektrischen Durchschlag und das Material ist kein Isolator mehr und kann daher keine Ladung mehr übertragen. Damit einher gehen häufig physikalische oder chemische Veränderungen, die das Material und seine Isoliereigenschaften dauerhaft beeinträchtigen.

Wenn das an eine isolierende Substanz angelegte elektrische Feld an irgendeiner Stelle den Schwellendurchschlagsfeldwert der Substanz überschreitet, wird der Isolator plötzlich zum Leiter, was zu einem starken Anstieg des Stromflusses und damit zu einem Lichtbogen über der Substanz führt. Es tritt auf, wenn das elektrische Feld in einem Material stark genug ist, um die freien Ladungsträger (Elektronen und Ionen, die immer in geringen Konzentrationen vorhanden sind) auf eine Geschwindigkeit zu beschleunigen, die hoch genug ist, um Elektronen beim Auftreffen auf Atome abzustoßen und diese dadurch zu ionisieren . Es kann zu einem elektrischen Ausfall kommen. Diese freigesetzten Elektronen und Ionen werden wiederum beschleunigt und treffen auf andere Atome, wodurch in einer Kettenreaktion weitere Ladungsträger entstehen. Der Isolator füllt sich schnell mit beweglichen Ladungsträgern und sein Widerstand sinkt auf ein niedrigeres Niveau. In Festkörpern ist die Durchbruchspannung proportional zur Bandlückenenergie. Wenn eine Koronaentladung auftritt, zerfällt die Luft in der Umgebung eines Hochspannungsleiters und ionisiert ihn, ohne dass es zu einem katastrophalen Anstieg des Stroms kommt. Wenn sich der Luftdurchschlagsbereich jedoch auf einen anderen Leiter mit einer anderen Spannung erstreckt, entsteht zwischen ihnen ein leitender Pfad und ein großer Strom fließt durch die Luft, wodurch ein Lichtbogen entsteht. Sogar ein Vakuum kann einen Durchschlag erleiden, aber in diesem Fall handelt es sich beim Durchschlag oder Vakuumlichtbogen um Ladungen, die von der Oberfläche der Metallelektrode ausgestoßen werden, und nicht um Ladungen, die durch das Vakuum selbst erzeugt werden.