Physique de conduction solide

Moyens d'isolation électriqueil n'y a pas de conduction d'électricité. La théorie des bandes électroniques (une branche de la physique) explique que la charge circule lorsque l'état quantique de la matière atteint un état dans lequel les électrons peuvent être excités. Si une différence de potentiel est appliquée à travers un matériau, les électrons gagnent de l'énergie et se déplacent ainsi à travers un conducteur, tel qu'un métal. Si cet état n’existe pas, le matériau est un isolant.

La plupart des isolants ont de grandes bandes interdites. Cela se produit parce que la bande de « valence » contenant les électrons de plus haute énergie est pleine et qu’un grand écart énergétique sépare cette bande de la bande suivante au-dessus. Il existe toujours une certaine tension (appelée tension de claquage) qui fournit suffisamment d’énergie pour que les électrons soient excités dans cette bande. Une fois cette tension dépassée, un claquage électrique se produit et le matériau n'est plus isolant et ne peut donc plus transférer de charge. Ceci s’accompagne souvent de modifications physiques ou chimiques qui dégradent définitivement le matériau et ses propriétés isolantes.

Lorsque le champ électrique appliqué à une substance isolante dépasse le seuil de champ de claquage de la substance à un endroit quelconque, l'isolant devient soudainement un conducteur, provoquant une forte augmentation du flux de courant et donc un arc à travers la substance. Cela se produit lorsque le champ électrique dans un matériau est suffisamment puissant pour accélérer les porteurs de charge libres (électrons et ions, qui sont toujours présents en faibles concentrations) à une vitesse suffisamment élevée pour faire tomber les électrons des atomes lorsqu'ils les frappent, ionisant ainsi les atomes. . Une panne électrique peut survenir. Ces électrons et ions libérés sont à leur tour accélérés et frappent d’autres atomes, créant ainsi davantage de porteurs de charge dans une réaction en chaîne. L'isolant se remplit rapidement de porteurs de charge mobiles et sa résistance chute à un niveau inférieur. Dans les solides, la tension de claquage est proportionnelle à l’énergie de la bande interdite. Lorsqu'une décharge corona se produit, l'air présent dans la zone autour d'un conducteur haute tension se décompose et l'ionise sans augmentation catastrophique du courant. Cependant, si la zone de claquage de l'air s'étend à un autre conducteur de tension différente, un chemin conducteur se forme entre eux et un courant important circule dans l'air, créant un arc. Même le vide peut subir une sorte de panne, mais dans ce cas, la panne ou l'arc sous vide implique des charges éjectées de la surface de l'électrode métallique plutôt que des charges générées par le vide lui-même.