Keemiliselt puhas vesi on dielektrik (isolaator). Ohutustehnika juhib tähelepanu ohtudele elektriseadmete kasutamisel vesistes ja niisketes kohtades. Hoiatus on õigustatud, kuna vesi, lahustades aineid, tekitab ioone. Juba väike lahustatava aine kogus (${10}^{-8}\%$) muudab puhta vee elektrijuhiks. Elektro­lüüt on aine, milles laengukandjateks on ioonid.

Kui näiteks vaskkloriidi lahustada vees, siis veemolekulide toimel laguneb sool ioonideks $CuC{l}_2=C{u}^{2+}+2C{l}^{-}$. Sellist protsessi nimetatakse elektrolüütiliseks dissotsiatsiooniks ja tekkinud lahus on elektrolüüt. Paneme lahusesse elektroodid, näiteks söepulgad. Katoodiks nimetatud elektrood on ühendatud vooluallika miinusklemmiga ja anood plussklemmiga (joonis 1.8.).

Vooluallika tekitatud elektriväli paneb ioonid lahuses triivima elektroodide poole. Positiivselt laetud vase ioonid liiguvad katoodile, saavad puuduvad elektronid ja vask sadestub katoodile. Negatiivselt laetud kloori ioonid liiguvad anoodile, annavad seal ära liigse elektroni ja eralduvad gaasilise kloorina. Selliseid elektrivoolu toimel kulgevaid redoksreaktsioone nimetatakse elektrolüüsiks. Elektrivool elektrolüütides on ioonide suunatud liikumine. Vooluga elektrolüütides kaasneb ainete eraldumine elektroodidel. Esimesena võeti elektrolüüs kasutusele esemete katmisel kulla- või hõbedakihiga. Elektrolüüsi seaduse avastas Michael Faraday. Elektrolüüsil eraldunud aine mass on võrdeline elektrolüüti läbinud laenguga, kus võrdetegurit nimetatakse aine elektrokeemiliseks ekvivalendiks.

Katsest saadud vase elektrokeemiline ekvivalent on $0,33mg/C$. See tähendab, et eelnevalt kirjeldatud katses eraldub iga elektrolüüti läbinud $1C$ laengu kohta katoodile $0,33mg$ vaske.

Ka metallimaagi või soola sulatamisel tekivad ioonid ja seda asjaolu saab kasutada näiteks alumiiniumi elektrolüütiliseks tootmiseks boksiidist või naatriumi saamiseks keedusoolast. Alati ei ole elektrolüüsil toimuvad protsessid nii lihtsad kui eespool kirjeldatud. Sõltuvalt metalli aktiivsusest ja elektroodide materjalist võivad eralduda erinevad ained. Näiteks sulatatud $NaCl$ elektrolüüsil eralduvad naatrium ja kloor, kuid $NaCl$ vesilahuse elektrolüüsil eralduvad hoopis vesinik ja kloor.

Kõrgepingeliine ei kaeta isoleeriva kihiga, sest õhk on tavaoludes isolaator. Ent kui isoleerimata juhtmed piisavalt lähestikku viia, tekib nende vahel elektriline läbilöök. Püüame uurida, millistel tingimustel elektrivool gaasis tekib. Anname hõõrdumisega elektriseeritud eboniitpulgaga elektroskoobile laengu. Laengu saavad ka elektroskoobiga ühendatud metallist plaadid – katood ja anood. Näeme, et laeng võib püsida küllaltki kaua. Viies plaatide vahele leegi, märkame laengu kahanemist (joonis 1.9. a), aga leegi eemaldamisel laengu kahanemine jälle seiskub.

Joonis 1.9. a	Joonis 1.9. b

Õhus vabad laengukandjad praktiliselt puuduvad. Kuid leegilt saadud energia arvelt toimub elektronide vabanemine õhus olevatest neutraalsetest gaasi molekulidest. Tekivad vabad elektronid ja positiivselt laetud ioonid. Seda nähtust nimetatakse ionisatsiooniks. Plaatidevaheline elektriväli paneb elektronid ja ioonid vastassuunaliselt liikuma ning vähendab laengut ja osuti hälvet. Leegi kustutamisel hakkavad elektronid ja positiivsed ioonid plaatide vahel uuesti neutraalseteks molekulideks ühinema – rekombinatsioon – ja gaas muutub jällegi isolaatoriks.

Neutraalse molekuli võib ioniseerida ka sellega põrkav elektriväljas piisavalt suure kineetilise energiani kiirendatud elektron (joonis 1.9. b). Nähtust nimetatakse põrkeionisatsiooniks ja selle tekkimiseks peab elektroni energia olema vähemalt võrdne elektroni väljumistööga gaasi molekulist.

Joonisel 1.10. on esitatud voolutugevuse sõltuvus pingest gaasis. Graafiku algus on sarnane metalliga, kuid teatavast pingest alates voolutugevus enam ei kasva. Seda voolu nimetatakse küllastusvooluks $I_k$ ja põhjuseks on asjaolu, et kõik ajaühikus tekkinud vabad laengukandjad jõuavad elektroodidele. Pinge edasisel suurenemisel tekib põrkeionisatsioon ja voolutugevus kasvab järsult.

Elektroni energiat saab suurendada elektrivälja tugevdamise või gaasi hõrendamisega. Hõrendamine suurendab elektroni vaba tee pikkust ja aega järgmise põrkeni. Sellisel juhul saab elektron koguda põrkeionisatsiooniks vajalikku energiat.

Elektrivoolu gaasis nimetatakse gaaslahenduseks, mis jaotatakse sõltuvaks ja sõltumatuks lahenduseks. Eeltoodud katses sõltus lahendus leegist, kõrvalisest ioniseerivast energiaallikast. Ionisatsiooni tekitajaks võib olla ka valgus ja radioaktiivne kiirgus. Üks viis mõõta radioaktiivset kiirgust on loendada kiirguse poolt gaasis põhjustatud vooluimpulsse. Pärast põrkeionisatsiooni on tegemist juba sõltumatu gaaslahendusega, sest vabad laengukandjad tekitatakse elektriväljas saadud energia arvelt.

Pooljuhid on kaasaegse elektroonika kõige olulisemaks lähtematerjaliks. Neist valmistatakse transistore, dioode ja teisi pooljuhtseadeldisi.

Kõige olulisem pooljuhi omadus on eritakistus, mis sõltub tugevalt lisanditest ning on kergesti mõjutatav väliste energiaallikatega. Kõrgem temperatuur, valgustatus ja lisandid parandavad oluliselt pooljuhi juhtivusomadusi.

Olulisteks pooljuhtmaterjalideks on räni ja germaanium, mis paiknevad elementide perioodilisuse süsteemis 14. ehk IV A rühmas. Nende aatomite väliskihis on $4$ elektroni ja nad on omavahel seotud kovalentsete sidemetega (joonis 1.11. a).

Joonis 1.11. a Pooljuhtide elektrijuhtivus	Joonis 1.11. b pooljuhtide elektrijuhtivus

Madalatel temperatuuridel on sidemed tugevad ja pooljuht käitub isolaatorina. Kõrgemal temperatuuril räni aatomiga nõrgalt seotud elektronid vabanevad. Struktuurist lahkunud elektronide asemele jäävad nn augud (joonis 1.11. b), mida võime vaadelda positiivsete laengutena. Pooljuhti on tekkinud elektron-auk paarid.

Rakendades pooljuhile elektrivälja, hakkavad vabanenud elektronid liikuma. Positiivse laenguga auk tõmbab enda kohale kõrvalaatomi elektroni, tekitades omakorda kõrvalaatomis augu. Elektrivool pooljuhis on vabade elektronide ja aukude suunatud liikumine. Sellist puhaste pooljuhtide juhtivust, kus vastassuunas liigub sama hulk elektrone ja auke, nimetatakse omajuhtivuseks. Nähtust rakendatakse termo- või fototakistis, mida omakorda saab kasutada temperatuuri ja valgustatuse elektrilisel registreerimisel.

Viies pooljuhti sobivaid lisandiaatomeid, saab tekitada lisandjuhtivuse. Kui neljavalentsele ränile lisada pisut viievalentset lisandit, näiteks fosforit (joonis 1.12. a), siis jääb räniaatomitest ümbritsetud fosforil üks elektron üle, sest talle ei leidu struktuuris kindlat kohta.

Joonis 1.12. a pooljuhtide elektrijuhtivus	Joonis 1.12. b Pooljuhtide elektrijuhtivus

Iga lisandiaatomi kohta jääb vabaks üks elektron, mis hakkab elektrivälja rakendamisel pooljuhis triivima. Sellises pooljuhis on põhilisteks laengukandjateks elektronid ja vastavat juhtivust nimetatakse laengukandjate negatiivse laengu tõttu n-juhtivuseks. Sünonüümideks on ka elektronjuhtivus ja doonorjuhtivus.

Lisades neljavalentsele põhiainele kolmevalentset lisandit (joonis 1.12. b), näiteks ränile boori, jääb räniaatomil booriga üks side moodustamata ja tekib auk. Vastavat juhtivust nimetatakse p-juhtivuseks, millel on veel samatähenduslikeks terminiteks auk- ja aktseptorjuhtivus.

Koos lisandjuhtivusega kaasneb alati ka omajuhtivus, mida püütakse üldjuhul võimalikult vähendada. Enamuslaengukandjateks on n-juhtivuse korral elektronid ja p-juhtivuse korral augud. Pooljuhtide elektrijuhtivus on seotud oluliselt ainete kristallstruktuuriga ja seetõttu algab pooljuhtseadiste tehnoloogia eriti puhaste ainete saamisest.

Kui tekitada pooljuhis kaks erineva juhtivusega osa, siis p- ja n-juhtivusega osade üleminekupiirkonda nimetatakse p-n siirdeks. Selline olukord saavutatakse erinevate lisandite sisseviimisega pooljuhtkristalli (dopeerimine ehk legeerimine). Siirdel hakkab toimuma laengukandjate vahetus. Doonorlisandiga n-osas on hulk elektrone, millel puudub kristallvõres sobiv koht. Need kohad on olemas aga kõrvalolevas p-osas. Elektronid hakkavad soojusliikumisest põhjustatud difusiooni toimel liikuma p-osas olevatele vabadele kohtadele, mille tulemusel enne neutraalne p-osa saab negatiivse laengu ja n-osa, kaotades elektrone, samasuguse positiivse laengu (joonis 1.13. a). Laengukandjate difusioon toimub ainult siirdes, sest seda hakkab takistama tekkiv elektriväli $\overrightarrow{E}$. See elektriväli soodustaks vähemuslaengukandjate liikumist läbi siirde, st elektronide liikumist p-osast n-ossa ja aukude liikumist n-osast p-ossa. Piirkihis puuduvad voolu tekkimiseks vajalikud laengukandjad ja olukorda võime vaadelda kui takistava kihi tekkimist erineva juhtivusega osade piiril.

Kui ühendada pooljuhi p-osaga vooluallika miinusklemm ja n-osaga plussklemm, siis siirde elektriväli tugevneb veelgi (joonis 1.13. b). Enamuslaengukandjad ei saa siiret üldse läbida. Väike hulk vähemuslaengukandjaid saab siiret läbida, põhjustades nõrga nn vastuvoolu. Pingestades p-n siirde päripidiselt (joonis 1.13. c), muudetakse elektrivälja suund siirdes eelnevaga võrreldes vastupidiseks, mis soodustab enamuslaengukandjate liikumist läbi siirde. Tekkinud pärivool on vastuvoolust oluliselt tugevam.

Joonis 1.14.

Joonisel 1.14. on graafik, mis näitab p-n siiret läbiva voolutugevuse sõltuvust pingest (pinge-voolu tunnusjoon). Eelpoolkirjeldatud p-n siiret rakendatakse pooljuhtdioodis. Pooljuhtdiood töötab ventiilina, mis laseb elektrivoolu läbi praktiliselt ainult ühes suunas.

p-n siirdel on peale pooljuhtdioodi mitmeid muid rakendusi. Siirde päripidisel pingestamisel võib eralduda valgus (valgusdiood) ja vastupidi, siirde valgustamisel võib tekkida elektromotoorjõud (fotorakk).

Hõõglambis muutub väga väikene osa, umbes $4\%$ elektrienergiast valguseks. Paremaid tulemusi, umbes $15\%$, võib saavutada säästulambiga. Viimasel ajal saab poest osta ka LED-valgusteid, mille tehnilised näitajad on veel paremad. Valgusdiood – LED, lühend sõnast light emitting diode – on pooljuhtseadis, mis muudab elektrienergia optiliseks kiirguseks (infravalgus, nähtav valgus või ultravalgus). Valgusdioodis nagu tavaliseski dioodis on p-n siire. Traditsioonilises pooljuhtdioodis on pärivoolu korral energia eraldumist siirdes püütud minimeerida. Seevastu valgusdioodis muudetakse p-n siirdel elektronide ja aukude rekombineerumisel eralduv energia vahetult valguseks. Päripinge rakendamisel läbivad siiret enamuslaengukandjad. Ained püütakse valida selliselt, et toimuks võimalikult paljude elektronide ja aukude rekombinatsioon ning et selle protsessi käigus kiirguks just vajaliku värvusega valgus. Konstruktsioon peab tagama, et siirdel tekkinud kiirgus pääseks välja. Valgusdioodid võivad kiirata erinevat värvi või ka valget valgust. Nende eeliseks on väikesed mõõtmed, põrutuskindlus, pikk eluiga (tuhat korda pikem kui hõõglampidel), kiire süttimine ja vastupidavus sisse-välja lülitamistele. Puuduseks on kõrge hind ja kõrgete temperatuuride mittetalumine.

Joonis 1.15 a,b LEDi ehitus ja skeemitähis.	Joonis 1.15 c LED-lamp

Vastupidine protsess toimub fotorakus, kus siirdele langev valgus eraldab erimärgilised laengud, tekitades elektromotoorjõu. Seda nähtust kasutatakse valgusenergia muutmiseks elektriks. Kui fotorakud ühendada suuremaks süsteemiks, saame näiteks päikesepatarei või digikaamera pildisensori – CCD (charge-coupled device). Kui kaamerale on kirjutatud $10Mpx$, siis tähendab see, et sensoril on $10$ miljonit imepisikest kujutist salvestavat fotorakku.

Joonis 1.16 b Päikesepatarei.	Joonis 1.16 c Fotoraku skeemitähis.

Inimene saab olulise osa informatsioonist valgusest nägemisaistingu abil. Selle info salvestamiseks saame kasutada ka digikaamerat, kus CCD muudab kujutise elektrisignaaliks ja salvestab selle mälus. Vajadusel saame salvestise uuesti taastada kujutisena näiteks LEDide abil. Nobeli 2009. aasta füüsikapreemia antigi CCD ja optilise kaabli arendamise eest.

Päikeselt saabub Maale hiiglaslik kiirgusenergia hulk, õhkkonna ülakihtides umbes $1400J/s$ iga ruutmeetri kohta. Kui me suudaksime selle muuta elektrienergiaks, kaoksid inimkonna energiaprobleemid. Päikesepatareide efektiivsuse kasv võib muuta nende kasutamise Eestis majanduslikult efektiivseks.