Isolator-Durchbruchspannung und dielektrische Festigkeit verstehen

Die Elektronen in Isoliermaterialien sind fest gebunden, was sie zu hervorragenden Barrieren für freien Elektronenfluss macht. Doch selbst die besten Dielektrika halten unbegrenzter Spannung nicht stand. Wird ein ausreichend starkes elektrisches Feld angelegt, durchläuft jeder Isolator schließlich einen Durchbruch, der Stromdurchlass ermöglicht.

Anders als bei Leitern, wo der Strom bei gegebenem Widerstand linear mit der Spannung steigt, ist die Strom-Spannungs-Beziehung in Isolatoren hochgradig nichtlinear. Unter einem kritischen Schwellenwert – der Durchbruchspannung oder dielektrischen Festigkeit – fließt praktisch kein Strom. Wird dieser Schwellenwert überschritten, tritt ein rasanter Stromanstieg auf.

Dielektrische Festigkeit ist die Spannung, die erforderlich ist, um Strom durch ein Isoliermaterial zu zwingen, es also „zu durchbrechen“. Nach dem Durchbruch kann die molekulare Struktur des Materials verändert sein, und der Isolator behält möglicherweise nicht seine ursprünglichen Eigenschaften. Typischerweise entsteht eine lokale Durchstichstelle an der Stromflussstelle.

Die Materialdicke beeinflusst die Durchbruchspannung. Während die spezifische dielektrische Festigkeit oft in Volt pro Mil (1/1000 Zoll) oder Kilovolt pro Zoll angegeben wird, ist die Beziehung nicht streng linear: eine dreifache Dickenzunahme ergibt etwas weniger als die dreifache dielektrische Festigkeit. Für grobe Schätzungen bleibt die Spannung-pro-Dicke-Bewertung akzeptabel.

* Aufgelistete Materialien sind speziell für elektrische Anwendungen präpariert.

Kernaussagen

• Eine ausreichend hohe Spannung kann Elektronen aus Isolatoren lösen und Stromdurchlass erzwingen.
• Die Mindestspannung, um einen Isolator zu „durchbrechen“, heißt Durchbruchspannung oder dielektrische Festigkeit.
• Erhöhte Dicke erhöht die Durchbruchspannung, bei sonst gleichen Bedingungen.
• Dielektrische Festigkeit wird üblicherweise in Volt pro Mil oder Kilovolt pro Zoll angegeben.

Weiterführende Arbeitsblätter

• Leiter und Isolatoren Arbeitsblatt