Fysiikka 6 - luku 4.2 p- ja n-tyypin puolijohteet

4.2 p- ja n-tyypin puolijohteet

Puolijohteet johtavat puhtaina huonosti sähköä. Puolijohteen sähkönjohtokykyä voidaan parantaa seostamalla siihen pieniä määriä sopivasti valitun toisen aineen atomeja, ns. epäpuhtausatomeja. Tätä kutsutaan puolijohteen douppaamiseksi. Käytettyjä epäpuhtausatomeja on kahdenlaisia: toisissa on elektroniverhon ulkokuorella yksi elektroni enemmän kuin alkuperäisessä puolijohdeatomissa, toisissa yksi vähemmän.

Epäpuhtausatomia, jossa ulkokuorella on yksi elektroni enemmän kuin puolijohteen atomissa, kutsutaan donoriksi eli antajaksi. Donori luovuttaa kiteeseen ylimääräisen elektronin, ja tämä elektroni voi toimia varauksenkuljettajana.

Donoreilla seostettua puolijohdetta kutsutaan n-tyypin puolijohteeksi, koska siinä varauksenkuljettajina toimivat negatiivisesti varatut elektronit. Esim piistä (joka kuuluu jaksollisen järjestelmän neljänteen pääryhmään eli sillä on neljä elektronia uloimmalla kuorella) saadaan n-tyypin puolijohde, kun siihen seostetaan viidennen pääryhmän alkuainetta, esim arseenia. Arseenilla on uloimmalla kuorellaan viisi elektronia koska se kuuluu jaksollisen järjestelmän viidenteen pääryhmään. Noista elektroneista neljä asettuu ympäröivien piiatomien kanssa lujasti arseenin sidoksiin ja viides jää vapaaksi.

Epäpuhtausatomia, jonka ulkokuorella on yksi elektroni vähemmän kuin puolijohteen atomissa, kutsutaan akseptoriksi eli ottajaksi. Atomien välisiin sidoksiin jää akseptorin kohdalle tyhjä paikka, aukko, josta puuttuu elektroni. Akseptori sitoo aukkoon elektronin naapuriatomista, johon puolestaan jää aukko. Tähän aukkoon voi siirtyä elektroni toisesta lähiatomista ja niin edelleen. Kiteessä kulkee silloin sähkövirta atomisidoksesta toiseen siirtyvien elektronien muodossa. Tällöin sähkövirta on siis aukon etenemistä kiteessä. Aukko käyttäytyy kuten positiivisesti varautunut hiukkanen ja kulkee siis vastakkaiseen suuntaan kuin elektronit, siis sähkövirran suuntaan.

Akseptoreilla seostettua puolijohdetta kutsutaan p-tyypin puolijohteeksi, koska siinä varauksenkuljettajilla (aukoilla) on positiivinen varaus. Kun piihin seostetaan kolmannen pääryhmän alkuainetta, esim booria, jolla on siis kolme elektronia uloimmalla kuorellaan koska se kuuluu jaksollisen järjestelmän kolmanteen pääryhmään), syntyy p-tyypin puolijohde. Booriatomin ja piiatomien välisiin sidoksiin jää yhteen kohtaan aukko, koska boorilla on ulkokuorellaan vain kolme elektronia. Aukko toimii sähkönkuljettajana siirtyessään sidoksesta toiseen koko kiteen läpi.

Jaksollinen järjestelmä

pn-puolijohdeliitos

Puolijohdekomponentteja valmistetaan yhdistämällä eri tavoin seostettuja puolijohteita toisiinsa. Kun p- ja n-tyypin puolijohdepalat liitetään toisiinsa, syntyy pn-liitos, joka on monien puolijohdekomponenttien perusosa.

Kun puolijohteet yhdistetään, liitoskohdan lähistöllä olevia p-puolen aukkoja alkaa lämpöliikkeen vaikutuksesta siirtyä rajapinnan läpi n-puolelle ja n-puolen elektroneja p-puolelle. Kun elektroni kohtaa atomisidoksessa olevan aukon, se asettuu siihen. Tätä kutsutaan rekombinaatioksi. Elektroni ja aukko eivät enää tämän jälkeen toimi varauksenkuljettajina. Tällä tavoin liitoskohdan läheisyyteen muodostuu alue, jossa ei ole varauksenkuljettajia. Aluetta kutsutaan tyhjennysalueeksi.

Kun vapaat elektronit ja aukot ovat hävinneet pn-liitoskohdan ympäristöstä ja tyhjennysalue on muodostunut, molemmille puolille pn-liitosta jää nettovaraus. p-puolella on akseptori-ionien aiheuttama negatiivinen varaus ja n-puolella donori-ionien aiheuttama positiivinen varaus. Ionit ovat sidottuina kiderakenteeseen, eivätkä ne siksi liiku. Varaukset aiheuttavat sähkökentän, jonka suunta on n-tyypin puolijohteesta p-tyypin puolijohteeseen. n- ja p- puolen välistä potentiaalieroa kutsutaan kynnysjännitteeksi.

pn-liitos ulkoiseen jännitteeseen kytkettynä

Sähkövirran kulkuun pn-liitoksen läpi voidaan vaikuttaa kytkemällä liitos ulkoiseen jännitteeseen. Estosuuntaisessa kytkennässä diodin p-puoli on yhdistetty jännitelähteen negatiiviseen ja n-puoli positiiviseen napaan. Jännitelähteen positiivinen napa vetää puoleensa n-alueen elektroneja ja negatiivinen napa p-alueen aukkoja. Elektronit ja aukot siirtyvät tällöin entistä kauemmas toisistaan ja pn-rajapinnasta. Tyhjennysalue levenee, ja sähkövirran kulku diodin läpi vaikeutuu entisestään.

Diodi on kytketty päästösuuntaan, kun p-puoli on yhdistetty jännitelähteen positiiviseen ja n-puoli negatiiviseen napaan. Kun päästösuuntainen jännite ylittää kynnysjännitteen arvon, sähkökentän suunta liitosalueella on p-alueesta n-alueeseen. Tämä sähkökenttä kuljettaa p-alueen aukkoja ja n-alueen elektroneja kohti pn-rajapintaa, jossa ne rekombinoituvat. Tällöin diodin läpi kulkee sähkövirta päästösuuntaan eli p-alueesta n-alueelle.

Diodi ja valo

Kun elektroni rekombinaatiossa siirtyy atomisidoksessa olevaan aukkoon, osa sen energiasta muuttuu sähkömagneettiseksi säteilyksi, mikä voidaan havaita valona jonka väri riippuu valon aallonpituudesta. Loistediodeissa eli ledeissä syntyvä sähkömagneettinen säteily on näkyvän valon alueella.

Energiavyöt

Elektronin energialla voi olla vain tietyt arvot, joita kutsutaan energiatasoiksi. Kiinteässä aineessa, jossa atomit ovat toisiinsa sitoutuneina, elektroni kokee samanaikaisesti monen ytimen vaikutuksen. Tällöin elektronin energian mahdolliset arvot voivat olla erillisten energiatasojen sijasta laajemmilla alueilla, joita kutsutaan energiavöiksi.

Energiavyöt koostuvat suuresta määrästä energiatasoja, joiden energiat ovat hyvin lähellä toisiaan. Energiavöiden välissä on ns. kiellettyjä energiavöitä. Aineessa ei voi olla elektroneja, joiden energia on kielletyn vyön alueella.

Energialtaan korkein energiavyö on valenssivyö. Valenssivyöllä olevien elektronien avulla kiinteän aineen atomit kiinnittyvät toisiinsa. Johtavuusvyö on valenssivyön yläpuolella olevien energiatasojen yhteisnimitys. Johtavuusvyöllä olevat elektronit pääsevät liikkumaan vapaasti. Aine voi siis johtaa sähköä, jos sen johtavuusvyöllä on elektroneja!

Aineen sähkönjohtavuus riippuu siitä, miten helposti elektronit voivat siirtyä valenssivyöltä johtavuusvyölle. Johteiden, puolijohteiden ja eristeiden vyörakenteet poikkeavat toisistaan, mikä selittää niiden erilaisen kyvyn johtaa sähköä.

Johteissa valenssivyö ja johtavuusvyö ovat ainakin osittain päällekkäin, jolloin osa valenssivyön alueella olevista elektroneista voi liikkua aineessa vapaasti. Eristeissä ja puolijohteissa valenssivyön ja johtavuusvyön välissä o kielletty vyö. Eristeissä kielletty vyö on leveä ja valenssivyöllä olevan elektronin tulisi saada runsaasti lisäenergiaa, jotta se voisi siirtyä kielletyn vyön yli johtavuusvyöhön. Siirtyminen tapahtuu harvoin, ja sen takia eristeet eivät johda sähköä.

Puolijohteissa valenssivyön ja johtavuusvyön välinen kielletty vyö on kapeampi kuin eristeissä, joten puolijohteissa elektronit siirtyvät johtavuusvyölle helpommin kuin eristeissä. Puolijohteiden väri määräytyy johtavuusvyön ja valenssivyön välissä olevan energia-aukon leveydestä. Tästä johtuu esim sinertävän timantin väri.

Transistori

Transistorit ovat puolijohteista valmistettuja elektroniikan peruskomponentteja. Niitä käytetään mm. vahvistimina, elektronisten muistien elementteinä ja erilaisina kytkiminä. Yksinkertaisimmassa transistorissa (bipolaarinen transistori) on yhdistetty kolme puolijohdetta toisiinsa joko järjestyksessä npn tai pnp. Transistorissa on siis aina sekä päästö- että estosuuntainen liitos.

Kaikki nykyelektroniikka, kuten kotitietokoneet, digitelevisiot ja laajakaistayhteydet, perustuu transistoritekniikkaan. Yksittäisten transistorien sijasta nykyelektroniikassa käytetään useiden komponenttien muodostamia mikropiirejä eli integroituja piirejä. Mikropiirejä ovat esim vahvistimet, mikroprosessorit ja elektroniset muistit. Yhdessä mikropiirissä saattaa olla satoja miljooneja transistoreja.

Transistorin toiminta virranvahvistimena perustuu siihen, että transistorin keskimmäiseen osaan, ns. kantaan (B), viedään pieni ohjausvirta, jonka avulla kantaan saadaan siirtymään runsaasti varauksenkuljettajia. Kanta on heikommin saostettu kuin transistorin muut osat, emitteri (E) ja kollektori (C). Täten vain pieni osa emitteriltä kannalle tulevista varauksenkuljettajista rekombinoituu ja suurin osa jatkaa ohuen kannan läpi kollektorille liitoksessa vallitsevan voimakkaan sähkökentän takia. Pienellä ohjausvirralla voidaan näin saada aikaan suuri sähkövirta emitterin ja kollektorin välille.

Fysiikka 6: luku 4.1 Puolijohteet ja puolijohdekomponentit

Muista, että kondensaattorityyppejä ovat säätökondensaattori, elektrolyyttikondensaattori ja levykondensaattori. Muista sekin, että kun levykondensaaattori ladataan tiettyyn jännitteeseen ja levyjen väliin työnnetään eristelevy, kondensaattorin jännite alenee ja kapasitanssi suurenee. Varaus ei tällöin purkaudu.

4.1 Puolijohteet ja puolijohdekomponentit

Puolijohteilla on monia sellaisia ominaisuuksia, joita ei ole johteilla eikä eristeillä. esim puolijohteen sähkönjohtokykyyn voidaan vaikuttaa. Eniten käytettyjä puolijohteita ovat pii (Si), germanium (Ge) ja gallium (Ga).

Johteissa on runsaasti elektroneja, jotka voivat liikkua johteen sisällä vapaasti. Nämä vapaat elektronit kuljettavat sähkövarausta ja aiheuttavat sähkövirran, kun johde on ulkoisessa sähkökentässä. Eristeissä atomien kaikki elektronit ovat kiinnittyneinä atomeihin, joten sähkövirtaaa ei voi olla.

Myös puolijohteessa elektronit muodostavat atomien välisiä sidoksia, mutta osa niistä on kiinnittynyt atomeihin löysemmin kuin eristeiden elektronit. Elektroneja voi irrota atomeista esim lämpöliikkeen seurauksena, ja ne voivat liikkua puolijohteessa vapaasti. Puolijohteista valmistetaan erilaisia komponentteja, kuten diodeja, transistoreja ja mikropiirejä.

Diodi

Diodia käytetään elektroniikassa mm. vaihtojännitteen tasasuuntauksessa sekä erilaisina kytkiminä ja ilmaisimina. Tasasuuntauksessa vaihtovirta muutetaan tasavirraksi ja vaihtojännite tasajännitteeksi. Esim kännykän ja kannettavan tietokoneen akkulaturi muuntaa sähköverkon vaihtojännitteen akun lataamiseen sopivaksi tasajännitteeksi. Diodin toiminta tasasuuntaajana perustuu siihen, että sähkövirta voi kulkea sen läpi vain yhteen suuntaan. Nykyisin käytössä olevat diodit valmistetaan puolijohteista.

Ledit eli loistediodit ovat puolijohdediodeja, jotka säteilevät valoa, kun niiden läpi johdetaan sähkövirta. Ledejä käytetään esim sähkölaitteiden merkkivaloina, hälytysajoneuvojen vilkkuvaloissa, autojen etu- ja takavaloissa sekä videonäytöissä ja valaistuksessa. Ledivalojen käyttöikä on pitkä ja niiden ylläpitokustannukset ovat alhaiset.

Ledejä valmistetaan esim galliumarsenidista (GaAs), galliumarsenidifosfidista (GaAsP) ja galliumfosfidista (GaP). Ledin valmistusmateriaali määrää ledin lähettämän valon aallonpituuden ja sitä kautta valon värin. Lisäksi ledin väriä voidaan muokata ledin pintaan lisätyillä kalvoilla ja pinnoitteilla. Muita puolijohdediodeja ovat zenerdiodi ja  fotodiodi.

Päästösuuntaan kytketyn diodin läpi voi kulkea sähkövirta. Tällöin ledin anodi on kytketty jännitelähteen plusnapaan. Kun ledin anodi kytketään jännitelähteen miinusnapaan, diodin läpi ei kulje sähkövirtaa ja se on tällöin kytketty estosuuntaan.

Fysiikka 6: luku 3.4 Kondensaattorien kytkennät

3.4 Kondensaattorien kytkennät

Sähköpiireissä tarvitaan usein sen suuruisia kondensaattoreita, joita ei ole saatavana valmiina. Tällöin voidaan käyttää säädettäviä kondensaattoreita tai  kondensaattoreiden yhdistelmiä. Kondensaattoreita voidaan kytkeä sarjaan ja rinnan.

Kondensaattorien rinnankytkennässä korvaavan kondensaattorin varaus on yhtä suuri kuin yksittäisten kondensaattorien varausten summa ja jokaisen kondensaattorin jännite on sama. Rinnan kytkettyjen kondensaattorien kokonaiskapasitanssi C on

C = C₁ + C₂ + C₃ + ...+ C_n

Kondensaattorien sarjakytkennässä jokaisella kondensaattorilla on yhtä suuri varaus mutta eri suuri jännite. Sarjaan kytkettyjen kondensaattorien kokonaiskapasitanssi C on

1/C = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃ + ...+ 1/C_n

Fysiikka 6: Luku 3.3 Kondensaattorin energia ja sydämen toiminta

Sydämen toiminta

Aluksi hieman asiaa sydämestä. Sydämen toiminta on sähköisten tapahtumien ohjaamaa. Sydämen sinussolmuke lähettää automaattisesti sähköisiä pulsseja n. 60 kertaa minuutissa (lepotilassa). Sydämentahdistinta tarvitaan, jos sinussolmuke ei lähetä lainkaan sähköpulsseja tai lähettää niitä liian harvoin. Tahdistin vaikuttaa sydämen syketaajuuteen. Sydämen supistumisvoimakkuutta säätelevät hormonit ja hermoston toiminta.

No miten sitten tämä kondensaattoriaihe liittyy sydämen toimintaan? No siten että sydämentahdistimessa on kondensaattori, joka latautuu pariston avulla. Kun tämä kondensaattori purkautuu kokonaan, syntyvä sähköinen pulssi aiheuttaa sydänlihasten supistumista. Sydämentahdistimen paristo pitääkin joskus vaihtaa (noin 5 vuoden välein).

Sydämen johtoratajärjestelmän toiminta alkaa sinussolmukkeesta, joka on sydämen varsinainen tahdistaja. Sinussolmukkeesta impulssi (aktiopotentiaali) leviää eteis-kammio-solmukkeeseen. Eteis-kammiokimppu jakautuu kahdeksi päähaaraksi  ja sydämen kärjessä edelleen yhä pienemmiksi haaroiksi eli Purkinjen säikeiksi. Sydämen kärjestä aktiopotentiaali jatkaa johtoratajärjestelmän ohuita haaroja pitkin sydämen ulkoseinien kautta takaisin kohti eteisiä.

Pysähtynyt sydän voidaan yrittää elvyttää asettamalla rintakehälle elektrodit, joihin kytketään lyhyeksi ajaksi jännite. Sähköisku voi vaikuttaa niin, että pysähtynyt sydän lähtee sykkimään. Kannettavissa elvytyslaitteissa, defibrillaattoreissa, sähköiskuihin tarvittava energia saadaan purkamalla kondensaattorin varaus.

Kondensaattorin energia

Kondensaattori voidaan varata jännitelähteen, kuten pariston, avulla. Jännitelähteestä siityy kondensaattoriin elektroneja, joiden varaus q on alkeisvarauksen e suuruinen. Kondensaattoria varattaessa joudutaan tekemään työtä, koska levyillä jo olevat varaukset vastustavat uusien varausten tuontia.

Kondensaattoria ladattaessa tehty työ varastoituu metallilevyjen varattujen hiukkasten potentiaalienergiaksi eli kondensaattorin energiaksi. Varatun kondensaattorin energia on

E = ½ QU (muistisääntö: puolikuu ! )

Fysiikka 6: luku 3.2 Levykondensaattori

3.2 Levykondensaattori

Kondensaattorin levyjen välissä sähkökentän voimakkuus E on vakio riippumatta levyjen välimatkasta, koska sähkövaraus ei pääse siirtymään. Kun kondensaattorin levyjen välimatka kasvaa, niiden välinen jännite kasvaa yhtälön U = Ed mukaisesti. Koska kondensaattorin sähkövaraus ei muutu, levykondensaattorin kapasitanssi pienenee levyjen välimatkan kasvaessa.

Eristeenasettaminen levyjen väliin pienentää sähkökentän voimakkuutta eristemateriaalin sähköisen polarisoitumisen takia, joten kondensaattorin jännite pienenee. Eristeen suhteellinen permittiivisyys ε_r   ilmaisee eristeaineen kyvyn heikentää sähkökenttää. Mitä suurempi väliaineen suhteellinen permittiivisyys on, sitä heikompi on levyjen välinen sähkökenttä.

Kondensaattorin levyjen välissä käytetään eristettä estämään varausten purkaminen. Koska erimerkkiset sähkövaraukset vetävät toisiaan puoleensa, varaukset asettuvat vastakkain oleville levyjen osille. Sähkökentän voimakkuus on sitä suurempi, mitä tiheämmässä varaukset ovat

Eristeen materiaali ja paksuus määräävät kondensaattorin rajajännitteen, jonka kondensaattori kestää niin, ettei levyjen välillä tapahdu läpilyöntiä eli sähkönpurkausta. Läpilyönnissä eristeen läpi iskevä kipinä purkaa levyjen varauksen ja rikkoo kondensaattorin.

Levykondensaattorin kapasitanssi on

=

missä ε on eristeen permittiivisyys, ε_r eristeen suhteellinen permittiivisyys, ε₀ tyhjiön permittiivisyys, A kondensaattorilevyn pinta-ala ja d levyjen välimatka.

Fysiikka 6: Kondensaattori: luku 3.1 Kapasitanssi

Muista, että kun hohtolampulla kosketetaan kappaletta, jolloin lamppu välähtää kappaleen puoleisesta päästä, niin tämä osoittaa että kappaleen varaus on negatiivinen. Muista myös, että pistevarauksen sähkökentässä sähkökentän voimakkuus pienenee etäisyyden kasvaessa (kentän aiheuttajavaraukseen nähden).

Kondensaattori

Kondensaattori muodostuu kahdesta lähekkäin olevasta JOHDEkappaleesta, joiden välissä on eristekerros. Kondensaattoreihin voidaan varastoida sähkövarausta ja energiaa. Niitä käytetään esim virtakatkaisimissa estämään kipinöintiä katkaisuhetkellä. Kondensaattoria voidaan käyttää myös mittalaitteena, esim kiihtyvyysantureissa ja paikkasensoreissa.

Kondensaattori voi olla levy- tai säätökondensaattori. Kondensaattorityyppejä ovat mm. polyesterikondensaattorit ja elektrolyyttikondensaattorit. Elektrolyyttikondensaattoreilla on suurempi sähkönvaraamiskyky kuin muilla ulkoisilta mitoiltaan samankokoisilla kondensaattoreilla.

3.1 Kapasitanssi

Kondensaattori voidaan varata esim pariston avulla. Silloin pariston plusnapaan kytketty johdelevy varautuu positiivisesti ja toinen johdelevy negatiivisesti. Kaksi lähekkäin olevaa varautunutta johdelevyä muodostavat levykondensaattorin. Varatulla kondensaattorilla on sähköisestä vuorovaikutuksesta johtuvaa potentiaalienergiaa.

Kun kondensaattoria ladataan tasajännitteellä, sen levyt varautuvat. Piirissä havaitaan virta siis vain silloin, kun kondensaattori latautuu tai purkautuu – tasavirta ei kulje kondensaattorin läpi!

Sähkövaraus Q = I∆t

Kondensaattorin kapasitanssi on kondensaattorille ominainen suure, joka kuvaa kondensaattorin sähkönvaraamiskykyä.

Q = CU, missä C on kondensaattorin kapasitanssi. Kapasitanssin yksikkö on 1 F (faradi).

Solukalvo

Solukalvot ovat elimistön omia kondensaattoreita. Kalvo itse on eristekerros, jonka sisä- ja ulkopintojen välillä on millivolttien suuruusluokkaa oleva jännite. Jännite vaikuttaa molekyylien ja ionien virtaamiseen solukalvojen läpi ja siten solujen aineenvaihduntaan.

Nyt mä yritän olla poikkitieteellinen joten laitanpa tähän vähän biologiaa mukaan! Siinä se on, nimittäin solukalvo! Klikkaa kuvia niin näet ne isompana.

 

Solukalvohan koostuu, kuten kuvasta näkyy, siis kahdesta vastakkaisesta fosfolipidikerroksesta. Fosfolipidit muodostuvat glyserolista, johon on esteröityneenä kaksi pitkäketjuista rasvahappoa ja fosforihappo. Rasvahappopää muodostaa fosfolipidin hydrofobisen eli vettä hylkivän, rasvaliukoisen osan, joka on kalvon keskellä. Hydrofiilisen eli vesiliukoisen osan puolestaan muodostaa fosforihappoon kiinnittynyt ryhmä, joka voi olla esimerkiksi hydrofiilinen aminohappo tai jokin muu ryhmä kuten koliini.Hydrofiiliset osat ovat siis uloimpina kalvon sisä- ja ulkopuolella ja niiden keskellä hydrofobiset osat.

Osana solukalvon rakenteeseen kuuluvat myös integraaliset kalvoproteiinit, sfingolipidit ja kolesteroli. Integraaliset proteiinit, joihin kuuluvat ionikanavat, ionipumput, reseptorit ja rakenneproteiinit, voivat olla kalvoon osittain hautautuneina tai ulottua koko kalvon läpi. Integraalisiin proteiineihin liittyneet pitkät hiilihydraattiketjut muodostavat solukalvon uloimman osan, glykokalyksin, joka ulottuu pitkälle solunulkoiseen tilaan.

Biologiahöpötys jatkuu sitten aikoinaan kun pääsen biologian kirjan kimppuun....

Fysiikka 6: luku 2.5 Aine sähkökentässä

Gravitaatiovuorovaikutuksessa kappaleiden massat ovat vuorovaikutuksessa keskenään, ja sähköisessä vuorovaikutuksessa sähkövaraukset ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Tässäpä sitten gravitaatio- ja sähköisen vuorovaikutuksen vertailua:

2.5 Aine sähkökentässä

Aineet luokitellaan niiden sähkönjohtokyvyn mukaan johteisiin, eristeisiin ja puolijohteisiin. Aineiden sähkönjohtokyky riippuu ensisijaisesti elektroniverhon rakenteesta.

Johde sähkökentässä

Johteissa vapaat, varatut hiukkaset toimivat varauksenkuljettajina. Tyypillisiä sähkönjohteita ovat metallit sekä hiili. Myös ioneja sisältävät nesteet eli elektrolyytit sekä ionisoituneet kaasut johtavat sähköä.

Herkät sähkölaitteet suojataan usein ulkoisilta sähkökentiltä asettamalla niiden ympärille metallisuojus, ns. Faradayn häkki. Sähkökenttä ei pääse metallisuojuksen sisälle. Esim auton kori muodostaa Faradayn häkin. Salaman iskiessä autoon salaman sähkövaraus siirtyy auton ulkopintaa pitkin pyörien kautta maahan.

Sähkökentän johteessa aiheuttamaa positiivisen ja negatiivisen varauksen erottautumista toisistaan sanotaan sähköiseksi influenssiksi. Johdekappaleen sisällä sähkökentän voimakkuus on nolla. Varatun kappaleen kyky vetää puoleensa varaamatonta kappaletta perustuu johteen tapauksessa influenssi-ilmiöön ja eristeen tapauksessa polarisoitumiseen. Varaamattomissa kappaleissa on aina positiivista ja negatiivista sähkövarausta yhtä paljon. Varattu kappale aiheuttaa influenssin varaamattomassa johdekappaleessa.

Eriste sähkökentässä

Eriste on aine, jossa ei ole vapaita varauksenkuljettajia tai niitä on erittäin vähän. Elektronit ovat tiukasti kiinni eristeen rakenteen sidoksissa. Sähkökenttään tuodussa eristekappaleessa varauksenkuljettajat eivät pääse liikkumaan.

Sähkökenttä voi aiheuttaa molekyyleissä sähköisen polarisoitumisen eli molekyylin sisäisen varauksen jakautumisen. Siinä molekyylin positiivisten ja negatiivisten varausten varauskeskipisteet erkanevat toisistaan. Näin syntyneet pysymättömät dipolimolekyylit voivat asettua sähkökentän suuntaisesti. Jos eristekappaleen lähelle tuodaan varattu kappale, molekyylit kääntyvät eristeen sisällä sähkökentän suuntaisiksi eli eristeessä tapahtuu rakennehiukkasten polarisoitumista, mutta sähkövaraukset eivät siirry kappaleen pinnalle.

Polarisoitumisessa kappaleeseen syntyy sisäinen dipolien luoma sähkökenttä. Sähkökentän aiheuttamaa eristeen rakennehiukkasten kääntymistä kentän suuntaisiksi sanotaan sähköiseksi polarisoitumiseksi. Polarisoitumisessa eristekappaleen sisälle syntyy sähköisten dipolien luoma sähkökenttä, jonka suunta on vastakkainen ulkoiselle sähkökentälle. Eristekappaleen sisällä sähkökenttä on heikompi kuin kappaleen ulkopuolella.

Aine, jonka suhteellinen permittiivisyys on suuri, heikentää sähkökenttää enemmän kuin aine, jonka suhteellinen permittiiivisyys on pieni. Eristeen suhteelliseksi permittiivisyydeksi sanotaan eristeen ulkopuolella olevan sähkökentän voimakkuuden ja sisäpuolella olevan sähkökentän voimakkuuden suhdetta. Eristeen suhteellinen permittiivisyys kuva, miten eriste vaikuttaa sähköiseen voimaan.