Física de Condução Sólida

Meios de isolamento elétriconão há condução de eletricidade. A teoria da banda eletrônica (um ramo da física) explica que a carga flui quando o estado quântico da matéria atinge um estado em que os elétrons podem ser excitados. Se uma diferença de potencial for aplicada a um material, isso fará com que os elétrons ganhem energia e, assim, se movam através de um condutor, como um metal. Se não existir tal estado, o material é um isolante.

A maioria dos isoladores possui grandes intervalos de bandas. Isso acontece porque a banda de “valência” que contém os elétrons de maior energia está cheia e uma grande lacuna de energia separa esta banda da próxima banda acima dela. Sempre há alguma tensão (chamada tensão de ruptura) que fornece energia suficiente para que os elétrons sejam excitados nesta banda. Uma vez excedida esta tensão, ocorre uma ruptura elétrica e o material deixa de ser um isolante e, portanto, não pode mais transferir carga. Isto é frequentemente acompanhado por alterações físicas ou químicas que degradam permanentemente o material e as suas propriedades isolantes.

Quando o campo elétrico aplicado a uma substância isolante excede o limite do campo de ruptura da substância em qualquer local, o isolador torna-se repentinamente um condutor, causando um grande aumento no fluxo de corrente e, portanto, um arco através da substância. Ocorre quando o campo elétrico em um material é forte o suficiente para acelerar os portadores de carga livre (elétrons e íons, que estão sempre presentes em baixas concentrações) a uma velocidade alta o suficiente para expulsar os elétrons dos átomos à medida que os atingem, ionizando assim os átomos. . Pode ocorrer falha elétrica. Esses elétrons e íons liberados são, por sua vez, acelerados e atingem outros átomos, criando mais portadores de carga em uma reação em cadeia. O isolador rapidamente se enche de portadores de carga móvel e sua resistência cai para um nível mais baixo. Nos sólidos, a tensão de ruptura é proporcional à energia do band gap. Quando ocorre uma descarga corona, o ar na área ao redor de um condutor de alta tensão se rompe e o ioniza sem um aumento catastrófico na corrente. No entanto, se a área de ruptura do ar se estender para outro condutor de tensão diferente, um caminho condutor é formado entre eles e uma grande corrente flui através do ar, criando um arco. Mesmo um vácuo pode sofrer algum tipo de ruptura, mas neste caso, a ruptura ou arco de vácuo envolve cargas ejetadas da superfície do eletrodo metálico em vez de cargas geradas pelo próprio vácuo.