Vật lý dẫn rắn

Phương tiện cách điệnkhông có sự dẫn điện. Lý thuyết dải điện tử (một nhánh của vật lý) giải thích rằng điện tích chảy khi trạng thái lượng tử của vật chất đạt đến trạng thái mà các electron có thể bị kích thích. Nếu một hiệu điện thế được áp dụng trên một vật liệu, điều này sẽ làm cho các electron thu được năng lượng và do đó di chuyển qua một vật dẫn, chẳng hạn như kim loại. Nếu không có trạng thái đó thì vật liệu đó là chất cách điện.

Hầu hết các chất cách điện đều có khoảng cách dải lớn. Điều này xảy ra vì dải "hóa trị" chứa các electron năng lượng cao nhất đã đầy và một khoảng cách năng lượng lớn ngăn cách dải này với dải tiếp theo phía trên nó. Luôn có một số điện áp (gọi là điện áp đánh thủng) cung cấp đủ năng lượng để các electron bị kích thích vào dải này. Khi điện áp này bị vượt quá, sự cố điện sẽ xảy ra và vật liệu không còn là chất cách điện nữa và do đó không thể truyền điện tích được nữa. Điều này thường đi kèm với những thay đổi vật lý hoặc hóa học làm suy giảm vĩnh viễn vật liệu và đặc tính cách điện của nó.

Khi điện trường tác dụng lên một chất cách điện vượt quá trường đánh thủng ngưỡng của chất đó tại bất kỳ vị trí nào, chất cách điện đột nhiên trở thành chất dẫn điện, gây ra sự gia tăng lớn dòng điện và do đó tạo ra hồ quang trên chất đó. Nó xảy ra khi điện trường trong vật liệu đủ mạnh để tăng tốc các hạt mang điện tự do (electron và ion, luôn hiện diện ở nồng độ thấp) đến vận tốc đủ cao để đánh bật các electron ra khỏi nguyên tử khi chúng tấn công chúng, từ đó làm ion hóa các nguyên tử. . Sự cố điện có thể xảy ra. Những electron và ion được giải phóng này lần lượt được gia tốc và tấn công các nguyên tử khác, tạo ra nhiều hạt mang điện hơn trong một phản ứng dây chuyền. Chất cách điện nhanh chóng lấp đầy các hạt mang điện di động và điện trở của nó giảm xuống mức thấp hơn. Trong chất rắn, điện áp đánh thủng tỷ lệ thuận với năng lượng vùng cấm. Khi xảy ra hiện tượng phóng điện vầng quang, không khí ở khu vực xung quanh dây dẫn điện áp cao sẽ bị phá vỡ và ion hóa nó mà không làm tăng dòng điện một cách nghiêm trọng. Tuy nhiên, nếu vùng đánh thủng không khí mở rộng sang một dây dẫn khác có điện áp khác, một đường dẫn điện sẽ được hình thành giữa chúng và một dòng điện lớn chạy qua không khí, tạo ra hồ quang. Ngay cả chân không cũng có thể gặp phải một số dạng đánh thủng, nhưng trong trường hợp này, sự đánh thủng hoặc hồ quang chân không liên quan đến các điện tích phóng ra từ bề mặt của điện cực kim loại chứ không phải các điện tích do chính chân không tạo ra.