Pole elektryczne to obszar przestrzeni wokół naładowanej cząstki, który wywiera siłę na inne naładowane cząstki. Kierunek tego pola jest kierunkiem siły, jaką pole wywierałoby na dodatni ładunek elektryczny testowy. Siła pola elektrycznego to wolt na metr (V/m). Technicznie rzecz biorąc, izolatory nie przewodzą prądu, ale jeśli pole elektryczne jest wystarczająco duże, izolator psuje się i przewodzi prąd.
Czasami może to być postrzegane jako wyładowanie elektryczne lub łuk w powietrzu między dwiema elektrodami. Napięcie przebicia gazu można obliczyć zPrawo Paschena.Fizyka jest inna dla diod półprzewodnikowych, gdzie napięcie przebicia jest punktem, w którym urządzenie zaczyna przewodzić w trybie odwróconego polaryzacji.
Napięcie przebicia
Diody i półprzewodniki
Diody są zwykle wykonane z kryształów półprzewodnikowych, zwykle krzemu lub germanu. Zanieczyszczenia są dodawane w celu utworzenia obszaru nośników ładunku ujemnego (elektronów) po jednej stronie, tworząc półprzewodnik typu n i dodatnie nośniki ładunku (dziury), aby utworzyć półprzewodnik typu p na inny.
Gdy materiały typu p i typu n są połączone, chwilowy przepływ ładunku tworzy trzeci obszar lub obszar zubożenia, w którym nie występują nośniki ładunku. Prąd płynie, gdy do strony p przyłożona jest wystarczająco wyższa różnica potencjałów niż strona n.
Dioda zazwyczaj ma wysoką rezystancję w kierunku odwrotnym i nie pozwala na przepływ elektronów w tym spolaryzowanym trybie zaporowym. Gdy napięcie wsteczne osiągnie określoną wartość, rezystancja ta spada, a dioda przewodzi w trybie polaryzacji zaporowej. Potencjał, przy którym to zachodzi, nazywa sięnapięcie przebicia.
Izolatory
W przeciwieństwie do przewodników, izolatory mają elektrony, które są ściśle związane z ich atomami, co jest odporne na swobodny przepływ elektronów. Siła utrzymująca te elektrony w miejscu nie jest nieskończona i przy wystarczającym napięciu elektrony te mogą uzyskać wystarczającą energię, aby przezwyciężyć te wiązania, a izolator staje się przewodnikiem. Napięcie progowe, przy którym to następuje, jest znane jako napięcie przebicia lubWytrzymałość dielektryczna. W gazie napięcie przebicia jest określone przezPrawo Paschena.
Prawo Paschena to równanie, które podaje napięcie przebicia w funkcji ciśnienia atmosferycznego i długości szczeliny i jest zapisane jako
V_b=\frac{Bpd}{\ln{(Apd)}-\ln{(\ln{(1+1/\gamma_{se})})}}
gdzieVb jest napięciem przebicia DC,pjest ciśnienie gazu,reto odległość w metrach,ZAibsą stałymi, które zależą od otaczającego gazu, orazγse jest współczynnikiem emisji elektronów wtórnych. Współczynnik emisji elektronów wtórnych to punkt, w którym padające cząstki mają wystarczającą energię kinetyczną, aby uderzając w inne cząstki, indukowały emisję cząstek wtórnych.
Obliczanie napięcia przebicia powietrza na cal
Tabela napięć przebicia szczeliny powietrznej może być wykorzystana do sprawdzenia napięcia przebicia dla dowolnego gazu. Jeżeli podręcznik referencyjny nie jest dostępny, obliczenia wytrzymałości dielektrycznej dla dwóch elektrod oddzielonych o jeden cal (2,54 cm) można obliczyć za pomocą prawa Paschena, gdzie
ZA= 112,50 (kPacm)−1
b= 2737,50 V/(kPa.cm)-1
γse = 0.01
P= 101,325 Pa
Wstawienie tych wartości do powyższego równania daje
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}
Z tabel technicznych i fizycznych oczekuje się, że typowy zakres napięcia przebicia w powietrzu wynosi od 20 kV do 75 kV. Na napięcie przebicia w powietrzu wpływają inne czynniki, np. wilgotność, grubość i temperatura, stąd szeroki zakres.