閃電可以擊穿絕緣體嗎？

11-29

世界上沒有絕對的絕緣，只有不努力的電壓。

看到 @冷哲的回答突然想起一些原來覺得十分美的東西，比如麥克斯韋方程組。聽說美麗有兩種，一種是深刻動人的方程，一種是你泛著倦意的臉上淡淡的笑容。

我就來隨便講講故事。如果我的電動力學沒有還給老師的話，還能多寫寫公式裝專業人士，但是過去我就是學渣，現在大腦也不發達，但又覺得不會電動力學的程序員不配被稱作全棧工程師，所以試著回憶一下，並且只能講到麥克斯韋的時代為止，量子力學框架下的我沒接觸過，也學不懂。

導電性是對某種實體物質而言的，電流的載體總是正或負電荷，比如原子核與電子，或者離子。導電性用電導率 $sigma$ 來衡量。電導率就是電阻 $R$ 的倒數，你們都知道。真空里沒有實物粒子，當然就沒有電流這種東西，也沒有電導率這個概念。有個概念叫做電流密度 $J$ ，我們搞工程的特別喜歡估算，不喜歡用積分，所以常常近似有：

$J=sigma E$

其中 $E$ 是電場強度，這才是歐姆定律的真身。
實際上，電流密度的定義式是：

$J=lim_{A ightarrow 0}{frac{I(A)}{A} }$

$A$ 是單位面積， $I(A)$ 是通過該面積的電流。這個式子只是定義式，並不能看出因果關係。因果關係存在於歐姆定理那裡。

而電場是不依賴實物粒子存在的。也就是說，真空中可以存在電場 $E$ 。如果把一個電子扔到這個真空中的電場里，如果受力不平衡它就會跑起來。跑起來了就是電流，這個真空就不能被視作絕對真空了。有時候我們又稱真空為自由空間，因為這裡的電磁波都是無所顧忌的。 @王力樂說的真空電子管是金屬原子高溫下發射熱電子的產物。由於電子管兩頭分別是陰極和陽極，有電勢差，有自由電子，就會形成電流。這玩意又被稱為陰極射線，就是因為電子從陰極射出來往陽極跑。之所以要抽成」真空「是因為」真空「中陰極發射的電子受到的阻力較小，放在空氣里秒秒鐘就跑不動了。電子管溫度很高，如果不夠純凈，活躍的空氣分子會把電子攔下來。所以會在裡面放一些活潑金屬作為除氣劑。

真空中雖然不存在實實在在的電流，但有一種特殊的電流——位移電流。位移電流的概念是這麼來的：原版的安培定律只適用於靜磁場，妖孽麥克斯韋覺得此事不妥，引入了電位移的概念，完美解決這個問題。電位移的定義為：

$D=varepsilon_{0}E+P$

其中 $varepsilon_{0}$ 是真空介電常數，又被稱為電常數， $P$ 是電極化強度，是電介質的性質。這個暫時不管。電位移對時間的微分為位移電流密度：

$J_{D}= varepsilon_{0} frac{partial E}{partial t } +frac{partial P}{partial t}$

這個式子右邊第一項不依賴於電介質，是真空中時變電場的屬性。所以導致真空時變電場好像存在一個電流密度 $J_{D}$ ，從而有了電流。但這個電流並沒有任何熱及化學效應，更沒有載流電荷移動，只是一種」心動「。電位移聽起來比較抽象，實際上它又被稱為電感應強度。高中物理學過磁感應強度和電場強度，也許還聽說過磁場強度，這幾對電磁物理量高度對稱。而學過高中物理就應該都聽說過」變化的電場會產生磁場「這句話。根據安培定則，電流會產生磁場。實際上正是這個」位移電流「（「感應電流」）產生了磁場。麥克斯韋將這個式子代回安培定則的方程，得到了麥克斯韋方程組的其中一個。結合描述時變磁場如何產生電場的法拉第感應定律，麥克斯韋寫出了驚世駭俗的電磁波動方程，並直接得出了真空光速的表達式，發現這貨居然是恆定不變的：

$c_{0}=sqrt{frac{1}{varepsilon _{0} mu _{0} } }$

其中 $varepsilon _{0} mu_{0}$ 分別是真空電介質常數和真空磁導率，三個都是常數。
妖孽如麥克斯韋也不能理解，只能歸功於以太，導致在愛因斯坦搞出狹義相對論之前，以太論佔據統治地位。

現代的麥克斯韋方程組，分別描述了高斯定律，高斯磁定律，麥克斯韋-法拉第定律，麥克斯韋-安培定律。它和洛倫茲力方程一起構成了經典電動力學的基石，發展出當代電力和電子科技。二十世紀前半期，在量子力學、相對論、與粒子物理學領域的突破與發展，其嶄新理論與微觀麥克斯韋方程組相結合，成為建立量子電動力學的關鍵基石。量子電動力學是人類有史以來發展出的最精確的理論。

大學時代，教這門課的馬西奎先生被稱作馬克西奎，和麥克斯韋略諧音，因為據說這些方程他都懂。

說回這個電極化強度 $P$ ，重點要來了，高能預警。當給電介質施加一個電場時，由於電介質內部正負電荷的相對位移，會產生電偶極子，這現象稱為電極化。施加的電場可能是外電場，也可能是嵌入電介質內部的自由電荷所產生的電場。因為電極化而產生的電偶極子稱為「感應電偶極子」，其電偶極矩稱為「感應電偶極矩」。
電極化強度定義為電介質單位體積 $V$ 內的電偶極矩 $p$ 的平均值，推廣到解析定義，也就是微元 $V$ 內是：

$P=frac{dp}{dV}$

為了衡量電介質因響應外電場的施加而極化的程度，我們引入電極化率 $chi_{varepsilon }$ ，它是由下面這個式子定義出來的：

$P=varepsilon_{0}chi _{varepsilon } E$

這個定義很直觀。
簡單一點，只考慮各向同性的介質，把這個式子代回

$D=varepsilon_{0}E+P$

就得到了：

$D=varepsilon_{0}(1+chi _{varepsilon } )E$

於是， $varepsilon_{0}(1+chi _{varepsilon } )$ 就是我們常說的電容率。終於回到高中內容了呢。高中物理老師講電容器時應該講過，電容器充放電時兩極之間並沒有電荷通過，但是你可以假裝它有一個電流，這個假裝的電流就是下面這個位移電流：

$J_{D}= varepsilon_{0} frac{partial E}{partial t } +frac{partial P}{partial t}$

所以我可以開始回答題主的問題了。將絕緣體置入外電場中，則束縛於其原子或分子的束縛電荷不會流過介電質，只會從原本位置移動微小距離。由於受到外加的電場力，正電荷朝著電場方向稍微遷移位置，而負電荷朝著反方向稍微遷移位置。這會造成介電質電極化，從而在介電質內部產生相逆的電場，減弱整個介電質內部的電場。如果電極化率比較高，產生的反抗電場就更強，由 $varepsilon_{0}(1+chi _{varepsilon } )$ 看出，就是電容率很大，放在電容器里，能夠提高電容器的容量。電容率大的有哪些？比如雲母片啊，陶瓷，紙片，都是絕緣體。所以你應該聽說過雲母電容陶瓷電容紙片電容對吧。

實際上，電極化機制非常複雜，同一種物質也可能同時具有電極化機制，講不清楚。總之你很容易想像，介質內部電極化對外加電場的抵抗是有限度的。一旦超過某個閾值，就無法再維持原先電極化狀態，這就叫擊穿。真空的電極化率為0，所以它對外加電場沒有阻礙。但是它不存在擊穿這個說法，因為它並不產生擊穿電流。真空也不能被叫做「絕緣體」，因為它根本沒有「體」。

電動力學之旅就到此結束了，電極化是絕緣的一種機制，但並非全部，學模擬電子技術的時候又學到下面這種解釋：
電子能帶理論指出，固體中的電子僅允許存在於一定的能量狀態，這些能量狀態形成彼此分離的能帶。電子趨向於先佔據能量最低的能帶，在絕對零度能夠被填滿的能量最高的能帶叫做價帶，價帶之上的能帶叫做導帶，價帶和導帶之間的空隙叫做能隙。在絕對零度以上，價帶電子部分被激發而躍遷至導帶，成為導帶電子，並在價帶留下空穴。根據能帶理論，被電子填滿的能帶或空的能帶對電導沒有貢獻，電導僅來源於半滿的能帶，導帶電子和價帶空穴合稱載流子。金屬的導帶被部分填充，因而有良好的電導。對於半導體和絕緣體，在絕度零度下價帶被填滿，而導帶沒有電子。在常溫下，半導體由於能隙較小，可以通過熱激發而形成電子空穴對，因而具有一定的電導。相反，絕大多數絕緣體通常具有非常大的帶隙寬度，價帶電子很難被激發至導帶，因此絕緣體的載流子濃度極低，相應地電導也極低，或者說這種材料絕緣。

對於絕緣體，總存在一個擊穿電壓，這個電壓能給予價帶電子足夠的能量，將其激發到導帶。一旦超過了擊穿電壓，這種材料就不再絕緣了。然而，擊穿通常伴隨著破壞材料絕緣性的物理或化學變化。

雲層內部或雲和地之間極高的電壓可以擊穿空氣，我們稱之為電離——形成一條電流通路。空氣被巨大的電能迅速加熱，成為發光的等離子體，加熱壓縮等過程伴隨著空氣形成的機械波。我們稱之為閃電和打雷。題主啊，你想想，空氣本身就是一種良好的絕緣體了。你看那些高架的高壓輸電線都是裸線，就靠空氣絕緣了，橡膠不能用。閃電就是高壓擊穿了絕緣體的產物啊。

其中有一種神秘的球狀閃電，傳統理論認為它是一種漩渦狀高溫等離子氣體，利用內部高速旋轉造成的向心力與外部大氣壓力達到平衡來維持了較長時間的穩定性。

後來有一個叫劉慈欣的電氣工程師，目睹了一場精心動魄的雷暴，看著娘子關電廠里弱爆了的發電機，難以抑制對偉大自然的崇敬，寫了一篇小說，叫《球狀閃電》。

我去擼演算法了，真的很抱歉。

多年以後我也許還記得，我也曾經是一名電氣工程師。

如果我沒有記錯的話，除了真空，似乎沒有絕對的絕緣。對於所有的絕緣體，電壓都可以大力出奇蹟。

具體的，還要請專業人士來回答。

六氟化硫大法好，充氣保平安。

很多大神 @冷哲@傅紅雪@王力樂都已經給出了很精彩的回答和討論。對於擊穿電壓，我來給答主一點更加直觀一點的概念。
就從空氣擊穿說起吧。空氣擊穿給人非常深刻的印象，就如同這個特斯拉線圈般絢爛。

而這樣的擊穿是如何發生的呢？
當在兩個電極間形成了一條高效的電流通路時，電流擊穿便發生了。而空氣原本是中性的，並無可以用的電子。所以空氣擊穿起始於電場對空氣中分子的電離。在室溫一個大氣壓下，空氣中電子和一個空氣分子（氧氣或氮氣分子）碰撞的平均自由程 $lambda$ 大約是一個微米（1 um）。在平均自由程內電子應該得到足夠的能量使之在撞擊氣體分子時，能讓氣體電離出新的電子，這樣電子的數量就會如同雪崩般增加，最後形成巨大的擊穿電流。而這一過程則稱作湯森德電離（Townsend discharge）。

精細的湯森德電離推導較為複雜，在此按住不表。我想做一個簡單的估算給答主一些直觀的概念。在空氣中，氧氣分子的電離能約12.5 eV，氮氣分子的電離能為15 eV，我們假設電離始於氧氣分子的電離，那麼要電離氧氣分子，電子在平均自由程內就需要得到12.5 eV的能量，擊穿電場強度E則可估算：
$E*lambda *q=12.5 eV, E=frac{12.5V}{1 imes 10^{-6} } =12.5 MV/m$
這一結果很接近（依據倪萍阿姨對接近的定義）真實的空氣擊穿強度3 MV/m。
我們可以想到在空氣中電極間距離越近，相同電壓下，電場越大，空氣越容易被擊穿。此外，擊穿電壓還和氣體壓強有關（平均自由程）。根據前人的研究，擊穿電壓是氣壓和電極距離的函數，其中關係則稱作帕邢定律（Paschen"s law）。圖中p是氣壓，d是電極距離， $V_{B}$ 是擊穿電壓。

好了，就說這麼多，希望對你有幫助。

補充一下，空氣也是絕緣體，閃電的形成實際上也是擊穿空氣這一絕緣體而實現的。而且是沿著電阻較小的路徑前進。

估計中子星擊不穿，假如擊穿了估計它也不再是中子星了。

排名第一的答案，已經回答出了精髓。
這裡再給出幾個通俗易懂的概念：
1、輸電系統絕緣——絕緣子
至於絕緣子的種類，隨著工藝的進步，由以往的電磁式絕緣子逐漸往具有更強防污性和憎水性的複合絕緣硅橡膠方向發展了。
兩種不同工藝絕緣子分別如圖1和圖2所示：

圖1 電磁式絕緣子

圖2 複合絕緣橡膠絕緣子
結論：目前所有的中高壓輸電均依靠不同形式的絕緣子來隔離帶電導體。
2、爬電距離

圖3 高壓輸電線路
圖3中的3個拽住線路的就是線路懸式絕緣子。懸式線夾和帶電導體接觸的地方以及以上一段距離，其實是帶電的，這一段叫爬電距離。在這個爬電距離之內，其實是帶電的，而超過這個距離，就是安全的。形象點解釋是，把一張紙放到水中，水會慢慢浸濕紙的一部分，這一部分的長度就是爬電距離，原理如圖4所示：

圖4 爬電距離示意圖
因此，絕緣子越長，就越耐壓，因此輸電線路絕緣設計手冊中對於不同電壓等級的線路規定採用不同片數的絕緣子串，電壓等級越高，絕緣子串越多，野外區分線路電壓等級即是依靠絕緣子的數量。
結論：無論工藝如何完善，在我們高壓輸電線路中總是會有一段爬電距離。
3 、過電壓
過電壓分為外部過電壓（雷擊過電壓）和內部過電壓。
相對於其它形式的過電壓，雷擊過電壓的幅值往往更大，且雷電流沿著閃絡通道入地，時間一般極為短暫，下式為雷擊線路後系統保護裕度：

結論：雷擊過電壓幅值往往比其它過電壓更大，當雷擊過電壓很大時，設備就沒有保護裕度
4、雷擊絕緣子閃絡
當雷擊過電壓的水平超過線路絕緣子的耐雷水平，即發生擊穿，造成單相或其它形式接地，此時由繼電保護迅速動作，切除故障。雷擊絕緣子閃絡即是雷電流通過閃絡電弧通道入地和大地構成迴路，此時，即所謂閃電擊穿了絕緣體。
5、如何防止閃電擊穿絕緣體
加裝線路避雷器；線路裝設避雷線；使用耐雷水平更高的絕緣子。

看了大家的回答，包括一些高票回答。我來補充一下：
第一：題主提問錯誤。閃電本身就是一種氣體放電現象，而你問閃電能否擊穿絕緣體，提問方式錯誤。題主大概想表達。閃電電壓高，能否擊穿絕緣體，這是固體放電現象。
第二：看到一些答主放了很多照片，但並沒有說到重點。什麼特斯拉線圈，帕邢定律都出來，那是氣體放電。跟題主問的沒啥關係。
以下是乾貨：在現在的放電理論里。氣體放電理論主要是流注理論；液體放電理論是小橋理論；固體放電理論是沿面放電理論。從名字就大概說明，固體放電理論不同於氣體和液體放電，氣體和液體放電是直接從物質或物體內部直接擊穿放電，固體沿面放電理論說明的是從固體內部直接擊穿放電是很困難的，而從固體表面擊穿放電確很容易。固體放電理論的應用參看回答中絕緣子的造型。
ps:放電理論目前還不是很完善，尤其是高真空放電理論。

非電學專業，如有錯誤請指正。
絕緣體都有其絕緣強度，即擊穿電壓。
【絕緣體的擊穿電壓（英語：breakdown voltage）是令一部分絕緣體變成電導體的最小電壓。】
擊穿電壓的單位為V/mm,可見擊穿絕緣體需要具備兩個因素：足夠大的電壓、足夠小的距離。
據我了解，絕緣體中絕緣性排序為橡膠&<陶瓷&<雲母。
橡膠的擊穿電壓可以到50kv/mm，陶瓷500kv/mm，雲母1000kv/mm。（空氣僅為3kv/mm）
閃電激發的電壓約為5億V，想要擊穿絕緣強度為1000KV/mm的雲母，只需將雲母片的厚度控制在 50 mm就好。

空氣哭暈在廁所

絕緣體，就是擊穿電壓比較大的物體。

中學玩閃電實驗，就是倆鐵球不接觸，一個對另一個放電。
看著倆鐵球之間的那道閃光，我問老師：「這個能擊穿紙嗎」
「都能擊穿空氣了，為啥不能擊穿紙」說著把紙放在鐵球中間。
至今仍覺得精闢！

我猜題主本意是想問這個吧。

絕緣體總歸是由原子構成的，電子和原子核之間是靠靜電吸引（準確一點地說，電磁相互作用，這裡只是定性說一下）結合在一起的。只要外電場足夠強，總能把電子拽出來的。
甚至真空都是能「擊穿」的，畢竟兩個電極肯定是原子構成的，只要電場夠強，總能把電子從陰極拽出來…這玩意叫做場發射電子槍。
（說了半天還是電壓夠高就行了嗎…）

閃電可以擊穿現有的大部分絕緣體，現在大部分配電網裡面的防雷保護都是針對感應雷的，對於直擊雷我們只有靠運氣

沒有絕對的絕緣，只有相對高的擊穿電壓

空氣本身已經可以算是絕緣體了吧？so、只要閃電努力……

@王自如

閃電擊不穿鎢絲的對頭——天煞孤絲

因為註定一輩子絕(姻)緣。

絕緣體：不容易導電的物體叫絕緣體。

所以閃電電壓夠大是可以擊穿的，我們說的絕緣體不是絕對不導電，而是因為電阻率很高。

閃電電壓說法不一，記不清了，但是，你看到的閃電就是擊穿空氣的樣子哦…空氣是絕緣體吧？