Spannungsdurchschlag

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Wird an einen Isolator eine Spannung angelegt, die höher ist als die Durchschlagsfestigkeit, so kommt es zu einem elektrischen Durchschlag auch Spannungsdurchschlag genannt. D.h. es fließt Strom durch den Isolator, verbunden mit einer Ionisation des Isoliermaterials und Funkenbildung. Durch die Ionisation werden Elektronen aus dem Meterial des Isolators herausgeschlagen und stehen dann zur Stromleitung zur Verfügung. Durch die Ionisation wird ein 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.

[Bearbeiten] Vakuumdurchschlag

Auch in Vakuum kann ein "Durchschlag" zwischen zwei benachbarten metallischen Leitern mit hoher Potentialdifferenz auftreten. Da im Vakuum kein Isolationsmaterial zwischen den Leitern vorhanden ist welches ionisiert werden könnte, wird der Durchschlag von Elektronen eingeleitet, welche die Potentialbarriere (Austrittsarbeit) aus dem Metall zufolge der hohen elektrischen Feldstärke zwischen den Leitern überwinden. Diese Energien liegen bei Kupfer bei ca. 4.5 eV - dies entspricht elektrischen Feldstärkern von ca 1 MV/mm. Dies ist eine obere Grenze und nur bei ideal glatten Oberflächen des elektrischen Leiters der Fall, denn praktisch treten durch kleine Unebenheiten in der Metalloberfläche lokal sehr hohen elektrischen Feldstärken auf, während sich die mittlere Feldstärke im Bereich von nur 10 kV/mm bewegt. Durch Erwärmung des Leiters kann die Emissionsrate stark gesteigert werden, was das Prinzip der Kathodenstrahlröhren darstellt.

Bei dem Vakuumdurchschlag gibt es zwei Emissionsprozesse:

• Kathodeninitiierten Durchbruch: Durch den Feldemissionsstrom verdampfen praktisch immer vorhandene feine Unebenheiten auf der Metalloberfläche durch hohe Stromdichten schlagartig und setzen den für den weiteren 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 Leiter eine ionisierende Gaswolke und die Metallionen dienen dem Stromtransport.

• Anodeninitiierten Durchbruch: Die aus dem negativ geladenen Leiter austretenden Elektronen werden zur positiven Leiter hin durch das elektrische Feld stark beschleunigt und schlagen auf diesem ein. Dadurch wird die Anode stark aufgeheizt und Teile der Metalloberfläche verdampfen und bilden leitfähige Gasschichten. Dabei entsteht auch Röntgenstrahlung.

In Praxis treten beim Vakuumdurchschlag meist Kombinationen von beiden Emissionsprozessen auf.