Un campo eléctrico es una región del espacio alrededor de una partícula cargada que ejerce una fuerza sobre otras partículas cargadas. La dirección de este campo es la dirección de la fuerza que el campo ejercería sobre una carga eléctrica de prueba positiva. La fuerza del campo eléctrico es voltios por metro (V / m). Técnicamente, los aisladores no conducen la electricidad, pero si el campo eléctrico es lo suficientemente grande, el aislante se rompe y conduce la electricidad.
A veces, esto puede verse como una descarga eléctrica o un arco en el aire entre los dos electrodos. El voltaje de ruptura de un gas se puede calcular a partir deLey de Paschen.La física es diferente para los diodos semiconductores donde el voltaje de ruptura es el punto donde el dispositivo comienza a conducir en modo de polarización inversa.
El voltaje de ruptura
Diodos y semiconductores
Los diodos están hechos típicamente de cristales semiconductores, generalmente silicio o germanio. Las impurezas se agregan para crear una región de portadores de carga negativa (electrones) en un lado creando un semiconductor de tipo n, y portadores de carga positiva (agujeros) para hacer un semiconductor de tipo p en el otro.
Cuando los materiales de tipo py de tipo n se juntan, un flujo de carga momentáneo crea una tercera región o región de agotamiento donde no hay portadores de carga presentes. Una corriente fluye cuando se aplica una diferencia de potencial suficientemente mayor al lado p que al lado n.
Un diodo normalmente tiene una alta resistencia en la dirección inversa y no permite que los electrones fluyan en este modo de polarización inversa. Cuando el voltaje inverso alcanza un cierto valor, esta resistencia cae y el diodo conduce en modo de polarización inversa. El potencial al que esto ocurre se llamacortocircuito.
Aislantes
A diferencia de los conductores, los aisladores tienen electrones que están estrechamente unidos a sus átomos, lo que resiste el flujo libre de electrones. La fuerza que mantiene a estos electrones en su lugar no es infinita y con suficiente voltaje esos electrones pueden ganar suficiente energía para superar esos enlaces y el aislante se convierte en un conductor. El voltaje umbral al que esto ocurre se conoce como voltaje de ruptura oresistencia dieléctrica. En un gas, el voltaje de ruptura está determinado porLey de Paschen.
La ley de Paschen es una ecuación que da el voltaje de ruptura en función de la presión atmosférica y la longitud del espacio y se escribe como
V_b = \ frac {Bpd} {\ ln {(Apd)} - \ ln {(\ ln {(1 + 1 / \ gamma_ {se})})}}
dóndeVB es el voltaje de ruptura de CC,pages la presión del gas,Des la distancia de separación en metros,AyBson constantes que dependen del gas circundante, yγse es el coeficiente de emisión de electrones secundarios. El coeficiente de emisión de electrones secundarios es el punto donde las partículas incidentes tienen suficiente energía cinética que cuando chocan con otras partículas, inducen la emisión de partículas secundarias.
Cálculo del voltaje de ruptura del aire por pulgada
Se puede usar una tabla de voltaje de ruptura de espacio de aire para buscar el voltaje de ruptura de cualquier gas. Cuando no se dispone de un manual de referencia, el cálculo de la rigidez dieléctrica para dos electrodos separados por una pulgada (2,54 cm) se puede calcular utilizando la Ley de Paschen donde
A= 112,50 (kPacm)−1
B= 2737,50 V / (kPa.cm)-1
γse = 0.01
PAG= 101,325 Pa
Al colocar esos valores en la ecuación anterior, se obtiene
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}
A partir de tablas físicas y de ingeniería, se espera que el rango típico para el voltaje de ruptura en el aire sea de 20 kV a 75 kV. Hay otros factores que influyen en el voltaje de ruptura en el aire, por ejemplo, la humedad, el grosor y la temperatura, de ahí el amplio rango.