Fisica della conduzione solida
L'isolamento elettrico significa che non c'è conduzione elettrica. La teoria delle bande elettroniche (una branca della fisica) spiega che la carica fluisce quando lo stato quantico della materia raggiunge uno stato in cui gli elettroni possono essere eccitati. Se si applica una differenza di potenziale a un materiale, questo fa sì che gli elettroni acquisiscano energia e quindi si muovano attraverso un conduttore, come un metallo. Se non esiste tale stato, il materiale è un isolante.
La maggior parte degli isolanti presenta ampi gap di banda. Questo accade perché la banda di "valenza" contenente gli elettroni ad alta energia è piena e un ampio gap energetico separa questa banda dalla banda immediatamente superiore. C'è sempre una certa tensione (detta tensione di rottura) che fornisce energia sufficiente affinché gli elettroni vengano eccitati in questa banda. Una volta superata questa tensione, si verifica la rottura elettrica e il materiale non è più un isolante e quindi non può più trasferire carica. Questo è spesso accompagnato da cambiamenti fisici o chimici che degradano permanentemente il materiale e le sue proprietà isolanti.
Quando il campo elettrico applicato a una sostanza isolante supera la soglia del campo di rottura della sostanza in qualsiasi punto, l'isolante diventa improvvisamente un conduttore, causando un notevole aumento del flusso di corrente e quindi un arco elettrico attraverso la sostanza. Ciò si verifica quando il campo elettrico in un materiale è sufficientemente intenso da accelerare i portatori di carica liberi (elettroni e ioni, sempre presenti in basse concentrazioni) a una velocità sufficientemente elevata da staccare gli elettroni dagli atomi quando li colpiscono, ionizzandoli. Può verificarsi una rottura elettrica. Questi elettroni e ioni rilasciati vengono a loro volta accelerati e colpiscono altri atomi, creando altri portatori di carica in una reazione a catena. L'isolante si riempie rapidamente di portatori di carica mobili e la sua resistenza scende a un livello inferiore. Nei solidi, la tensione di rottura è proporzionale all'energia del band gap. Quando si verifica una scarica a corona, l'aria nell'area circostante un conduttore ad alta tensione si rompe e lo ionizza senza un aumento catastrofico della corrente. Tuttavia, se l'area di scarica in aria si estende a un altro conduttore con una tensione diversa, si forma un percorso conduttivo tra di essi e una forte corrente fluisce attraverso l'aria, creando un arco. Anche il vuoto può subire qualche tipo di scarica, ma in questo caso, la scarica o l'arco nel vuoto coinvolge cariche espulse dalla superficie dell'elettrodo metallico anziché cariche generate dal vuoto stesso.