Ein elektrisches Feld ist ein Raumbereich um ein geladenes Teilchen, der eine Kraft auf andere geladene Teilchen ausübt. Die Richtung dieses Feldes ist die Richtung der Kraft, die das Feld auf eine positive elektrische Testladung ausüben würde. Die Stärke des elektrischen Feldes beträgt Volt pro Meter (V/m). Technisch gesehen leiten Isolatoren keinen Strom, aber wenn das elektrische Feld groß genug ist, bricht der Isolator zusammen und leitet Strom.
Dies kann manchmal als elektrische Entladung oder Lichtbogen in der Luft zwischen den beiden Elektroden gesehen werden. Die Durchbruchspannung eines Gases lässt sich berechnen ausPaschensches Gesetz.Die Physik ist bei halbleitenden Dioden anders, bei denen die Durchbruchspannung der Punkt ist, an dem das Gerät im Sperrspannungsmodus zu leiten beginnt.
Die Durchbruchspannung
Dioden und Halbleiter
Dioden bestehen typischerweise aus halbleitenden Kristallen, normalerweise Silizium oder Germanium. Verunreinigungen werden hinzugefügt, um auf einer Seite einen Bereich negativer Ladungsträger (Elektronen) zu erzeugen, wodurch einen n-Typ-Halbleiter und positive Ladungsträger (Löcher), um einen p-Typ-Halbleiter auf dem herzustellen andere.
Wenn die Materialien des p-Typs und des n-Typs zusammengebracht werden, erzeugt ein momentaner Ladungsfluss einen dritten Bereich oder Verarmungsbereich, in dem keine Ladungsträger vorhanden sind. Ein Strom fließt, wenn an der p-Seite eine ausreichend höhere Potentialdifferenz angelegt wird als an der n-Seite.
Eine Diode hat typischerweise einen hohen Widerstand in Sperrrichtung und lässt in diesem Sperrmodus keinen Elektronenfluss zu. Wenn die Sperrspannung einen bestimmten Wert erreicht, sinkt dieser Widerstand und die Diode leitet in Sperrrichtung. Das Potential, bei dem dies auftritt, heißtDie Spannung unterbrechen.
Isolatoren
Im Gegensatz zu Leitern haben Isolatoren Elektronen, die fest an ihre Atome gebunden sind, was dem freien Elektronenfluss widersteht. Die Kraft, die diese Elektronen an Ort und Stelle hält, ist nicht unendlich und mit genügend Spannung können diese Elektronen genug Energie gewinnen, um diese Bindungen zu überwinden, und der Isolator wird zu einem Leiter. Die Schwellenspannung, bei der dies auftritt, wird als Durchbruchspannung bezeichnet oderSpannungsfestigkeit. In einem Gas wird die Durchbruchspannung bestimmt durchPaschens Gesetz.
Das Paschen-Gesetz ist eine Gleichung, die die Durchbruchspannung als Funktion des Atmosphärendrucks und der Spaltlänge angibt und geschrieben wird als
V_b=\frac{Bpd}{\ln{(Apd)}-\ln{(\ln{(1+1/\gamma_{se})})}}
woVb ist die DC-Durchbruchspannung,pist der Gasdruck,dist der Spaltabstand in Metern,EINundBKonstanten sind, die vom umgebenden Gas abhängen, undγse ist der Sekundärelektronenemissionskoeffizient. Der Sekundärelektronenemissionskoeffizient ist der Punkt, an dem einfallende Teilchen genügend kinetische Energie haben, um beim Auftreffen auf andere Teilchen die Emission von Sekundärteilchen zu induzieren.
Berechnung der Durchbruchspannung von Luft pro Zoll
Eine Luftspalt-Durchbruchsspannungstabelle kann verwendet werden, um die Durchbruchsspannung für jedes Gas nachzuschlagen. Wenn kein Referenzhandbuch verfügbar ist, kann die Berechnung der Durchschlagsfestigkeit für zwei Elektroden mit einem Abstand von einem Zoll (2,54 cm) nach dem Paschenschen Gesetz berechnet werden, wobei
EIN= 112,50 (kPacm)−1
B= 2737,50 V/(kPa.cm)-1
γse = 0.01
P= 101.325 Pa
Das Einsetzen dieser Werte in die obige Gleichung ergibt
V_b=\frac{2737,50 \times 101,325 \times 2,54 \times 10^{-2}}{\ln{(112,50 \times 101.325 \times 2,54 \times 10^{-2})}-\ln{(\ln {(1+1/0,01)})}}=20,3\text{kV}
Aus technischen und physikalischen Tabellen wird erwartet, dass der typische Bereich für die Durchbruchspannung in Luft 20 kV bis 75 kV beträgt. Es gibt andere Faktoren, die die Durchbruchspannung in Luft beeinflussen, z. B. Feuchtigkeit, Dicke und Temperatur, daher der große Bereich.
