Fast ledningsfysik

Elektrisk isolering betyderdet finns ingen ledning av elektricitet. Elektronisk bandteori (en gren av fysiken) förklarar att laddning flyter när materiens kvanttillstånd når ett tillstånd där elektroner kan exciteras. Om en potentialskillnad appliceras över ett material, gör detta att elektroner får energi och därmed rör sig genom en ledare, såsom en metall. Om det inte finns något sådant tillstånd är materialet en isolator.

De flesta isolatorer har stora bandgap. Detta händer eftersom "valens"-bandet som innehåller elektronerna med högst energi är fullt, och ett stort energigap skiljer detta band från nästa band ovanför det. Det finns alltid någon spänning (kallad genombrottsspänning) som ger tillräckligt med energi för att elektroner ska exciteras in i detta band. När denna spänning överskrids sker elektriskt genombrott och materialet är inte längre en isolator och kan därför inte längre överföra laddning. Detta åtföljs ofta av fysikaliska eller kemiska förändringar som permanent försämrar materialet och dess isolerande egenskaper.

När det elektriska fältet som appliceras på ett isolerande ämne överskrider ämnets tröskelnedbrytningsfält på någon plats, blir isolatorn plötsligt en ledare, vilket orsakar en stor ökning av strömflödet och därmed en båge över ämnet. Det uppstår när det elektriska fältet i ett material är tillräckligt starkt för att accelerera de fria laddningsbärarna (elektroner och joner, som alltid finns närvarande i låga koncentrationer) till en hastighet som är tillräckligt hög för att slå elektroner från atomer när de träffar dem, och därigenom jonisera atomerna . Elavbrott kan uppstå. Dessa frigjorda elektroner och joner accelereras i sin tur och träffar andra atomer, vilket skapar fler laddningsbärare i en kedjereaktion. Isolatorn fylls snabbt med mobila laddningsbärare och dess motstånd sjunker till en lägre nivå. I fasta ämnen är genomslagsspänningen proportionell mot bandgapsenergin. När en koronaurladdning inträffar bryts luften i området runt en högspänningsledare ner och joniserar den utan en katastrofal ökning av strömmen. Men om luftnedbrytningsområdet sträcker sig till en annan ledare med en annan spänning, bildas en ledande bana mellan dem och en stor ström flyter genom luften och skapar en båge. Även ett vakuum kan drabbas av någon form av sammanbrott, men i det här fallet involverar sammanbrottet eller vakuumbågen laddningar som skjuts ut från ytan på metallelektroden snarare än laddningar som genereras av själva vakuumet.