Physique de la conduction dans les solides
L'isolation électrique signifie qu'il n'y a pas de conduction électrique. La théorie des bandes électroniques (une branche de la physique) explique que les charges électriques circulent lorsque l'état quantique de la matière atteint un niveau où les électrons peuvent être excités. Si une différence de potentiel est appliquée aux bornes d'un matériau, les électrons gagnent de l'énergie et se déplacent ainsi dans un conducteur, comme un métal. En l'absence d'un tel état, le matériau est un isolant.
La plupart des isolants présentent une large bande interdite. Ceci s'explique par le fait que la bande de valence, contenant les électrons de plus haute énergie, est saturée, et qu'un large écart énergétique la sépare de la bande supérieure. Il existe toujours une tension minimale (appelée tension de claquage) qui fournit l'énergie nécessaire à l'excitation des électrons vers cette bande. Lorsque cette tension est dépassée, un claquage électrique se produit : le matériau cesse alors d'être isolant et ne peut plus conduire de charges. Ce phénomène s'accompagne souvent de modifications physiques ou chimiques qui dégradent irrémédiablement le matériau et ses propriétés isolantes.
Lorsqu'un champ électrique appliqué à un isolant dépasse son seuil de claquage en un point donné, l'isolant devient soudainement conducteur, provoquant une forte augmentation du courant et la formation d'un arc électrique. Ce phénomène se produit lorsque le champ électrique est suffisamment intense pour accélérer les porteurs de charge libres (électrons et ions, toujours présents en faible concentration) à une vitesse suffisante pour arracher des électrons aux atomes lors de l'impact, ionisant ainsi ces derniers. Un claquage électrique peut alors se produire. Ces électrons et ions libérés sont à leur tour accélérés et percutent d'autres atomes, créant ainsi davantage de porteurs de charge par une réaction en chaîne. L'isolant se sature rapidement de porteurs de charge mobiles et sa résistance diminue. Dans les solides, la tension de claquage est proportionnelle à l'énergie de la bande interdite. Lors d'une décharge corona, l'air autour d'un conducteur haute tension subit un claquage et l'ionise sans augmentation catastrophique du courant. Cependant, si la zone de claquage dans l'air s'étend à un autre conducteur de tension différente, un chemin conducteur se forme entre eux et un courant important circule dans l'air, créant un arc électrique. Même le vide peut subir un certain type de claquage, mais dans ce cas, le claquage ou l'arc sous vide implique des charges éjectées de la surface de l'électrode métallique plutôt que des charges générées par le vide lui-même.