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.