Elektrischer Durchbruch

Wird an einen Isolator eine Spannung angelegt, die höher ist als die Durchschlagsfestigkeit bzw. Durchschlagspannung, so kommt es zu einem elektrischen Durchschlag, auch Spannungsdurchschlag genannt. Es fließt nun Strom durch den Isolator, verbunden mit einer Ionisation des Isoliermaterials und Plasmabildung. Durch die damit einhergehende Ultraviolettstrahlung werden weitere Elektronen aus dem Material des Isolators herausgeschlagen und stehen dann zur Stromleitung zur Verfügung. Durch die Ionisation wird der Isolator zum elektrischen Leiter. Dies kann feste, flüssige oder gasförmige Isolatoren betreffen.

Häufig verändert sich das Isoliermaterial dabei dauerhaft oder wird irreversibel zerstört durch die Entladung beim Spannungsdurchschlag entlang der Strecke, die der Funke genommen hat. Kunststoffe können durch die Hitze des Funkens teilweise verkohlen und sind dann als Isolator unbrauchbar. Isolieröle entwickeln durch thermische Zersetzung Gase, die z. B. im Buchholzschutz von Transformatoren zur Detektierung eines Isolationsfehlers registriert werden.

Vakuumdurchschlag

Auch in Vakuum kann ein elektrischer Durchschlag zwischen zwei benachbarten metallischen Leitern mit hoher Potentialdifferenz auftreten. Da im Vakuum kein Isolationsmaterial zwischen den Leitern vorhanden ist, das ionisiert werden könnte, wird der Durchschlag von Elektronen eingeleitet, die die Potentialbarriere (Austrittsarbeit) aus dem Metall zufolge der hohen elektrischen Feldstärke zwischen den Leitern überwinden (Feldemission). Diese Energien liegen bei Kupfer bei etwa 4,5 eV – dies entspricht elektrischen Feldstärken von ungefähr 1 MV/mm. Dies ist eine obere Grenze und nur bei ideal glatten Oberflächen des elektrischen Leiters der Fall. Praktisch treten durch kleine Unebenheiten in der Metalloberfläche lokal sehr hohe elektrische Feldstärken auf, während sich die mittlere Feldstärke im Bereich von nur 10 kV/mm bewegt. Dadurch kann es schon bei niedrigeren Feldstärken zur Elektronenemission kommen (Anwendung beispielsweise im Feldemissionsmikroskop).

Beim Vakuumdurchschlag gibt es zwei Durchbruchmechanismen:

• Kathodeninitiierter Durchbruch: Durch den Feldemissionsstrom verdampfen praktisch immer vorhandene feine Unebenheiten auf der Metalloberfläche durch hohe Stromdichten schlagartig und setzen den für den folgenden Ionisationsvorgang notwendigen Metalldampf frei. Dabei treten in den Metallspitzen lokale Stromdichten von über 100 MA/cm² auf, das dabei verdampfe Metall bildet über den metallischen Leitern eine ionisierte Gaswolke und die Metallionen dienen nun dem Stromtransport.

• Anodeninitiierter Durchbruch: Die aus dem negativ geladenen Leiter austretenden wenigen Elektronen werden zum positiven Leiter hin durch das elektrische Feld stark beschleunigt und schlagen auf diesem ein. Dadurch wird die Anode stark aufgeheizt – Teile der Metalloberfläche verdampfen und bilden ein ionisiertes, leitfähiges Gas. Beim Aufprall der Elektronen entsteht auch Röntgenstrahlung, die ihrerseits zur Ionisierung beitragen kann.

In der Praxis treten beim Vakuumdurchschlag meist Kombinationen der beiden Durchschlagsprozesse auf.