Un campo elettrico è una regione di spazio attorno a una particella carica che esercita una forza su altre particelle cariche. La direzione di questo campo è la direzione della forza che il campo eserciterebbe su una carica elettrica di prova positiva. L'intensità del campo elettrico è volt per metro (V/m). Tecnicamente, gli isolanti non conducono elettricità, ma se il campo elettrico è abbastanza grande, l'isolatore si rompe e conduce elettricità.
Questo a volte può essere visto come una scarica elettrica o un arco in aria tra i due elettrodi. La tensione di rottura di un gas può essere calcolata daLegge di Paschen.La fisica è diversa per i diodi a semiconduttore in cui la tensione di rottura è il punto in cui il dispositivo inizia a condurre in modalità di polarizzazione inversa.
La tensione di rottura
Diodi e semiconduttori
I diodi sono tipicamente costituiti da cristalli semiconduttori, solitamente silicio o germanio. Le impurità vengono aggiunte per creare una regione di portatori di carica negativa (elettroni) su un lato creando un semiconduttore di tipo n e portatori di carica positiva (fori) per realizzare un semiconduttore di tipo p sul altro.
Quando i materiali di tipo p e di tipo n vengono riuniti, un flusso di carica momentaneo crea una terza regione o regione di esaurimento in cui non sono presenti portatori di carica. Una corrente scorre quando viene applicata una differenza di potenziale sufficientemente maggiore al lato p rispetto al lato n.
Un diodo ha tipicamente un'elevata resistenza nella direzione inversa e non consente agli elettroni di fluire in questa modalità polarizzata inversa. Quando la tensione inversa raggiunge un certo valore, questa resistenza diminuisce e il diodo conduce in modalità polarizzata inversa. Il potenziale a cui ciò si verifica è chiamatocalo di tensione.
isolanti
A differenza dei conduttori, gli isolanti hanno elettroni strettamente legati ai loro atomi che resistono al flusso di elettroni liberi. La forza che tiene in posizione questi elettroni non è infinita e con una tensione sufficiente quegli elettroni possono guadagnare energia sufficiente per superare quei legami e l'isolante diventa un conduttore. La tensione di soglia alla quale ciò si verifica è nota come tensione di rottura origidità dielettrica. In un gas, la tensione di rottura è determinata daLegge di Paschen.
La legge di Paschen è un'equazione che fornisce la tensione di rottura in funzione della pressione atmosferica e della lunghezza del gap ed è scritta come
V_b=\frac{Bpd}{\ln{(Apd)}-\ln{(\ln{(1+1/\gamma_{se})})}}
doveVb è la tensione di rottura CC,pè la pressione del gas,dè la distanza in metri,UNeBsono costanti che dipendono dal gas circostante, eγse è il coefficiente di emissione di elettroni secondari. Il coefficiente di emissione di elettroni secondari è il punto in cui le particelle incidenti hanno abbastanza energia cinetica che quando colpiscono altre particelle, inducono l'emissione di particelle secondarie.
Calcolo della tensione di rottura dell'aria per pollice
Una tabella della tensione di rottura del traferro può essere utilizzata per cercare la tensione di rottura per qualsiasi gas. Laddove non sia disponibile un manuale di riferimento, il calcolo della rigidità dielettrica per due elettrodi separati da un pollice (2,54 cm) può essere calcolato utilizzando la legge di Paschen dove
UN= 112,50 (kPacm)−1
B= 2737,50 V/(kPa.cm)-1
γse = 0.01
P= 101,325 Pa
Inserendo questi valori nell'equazione sopra si ottiene
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\testo{ kV}
Dalle tabelle ingegneristiche e fisiche, l'intervallo tipico per la tensione di rottura in aria dovrebbe essere compreso tra 20 kV e 75 kV. Ci sono altri fattori che influenzano la tensione di rottura nell'aria, ad esempio umidità, spessore e temperatura, quindi l'ampio intervallo.