Електростатика

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на: содржини, барај
Стружинки привлекувани од наелектризиран компакт диск.

Електростатика е гранка на науката која се занимава со појавите кои произлегуваат од стационарни или од електрични полнежи кои се движат бавно.

Уште од античко време се знаело дека некои материјали како килибар привлекуваат лесни честички после триење. Грчкиот збор за килибар, ήλεκτρον (електрон), е извор за поимот електрична енергија. Електростатичките феномени произлегуваат од сили со кои електричните полнежи си дејствуваат едни на други. Таквите сили се опишани со Кулоновиот закон. Иако ваквите сили се чини дека се прилично слаби, електростатичката сила помегу електронот и протонот кои заедно го сочинуваат водородниот атом, е околу 40 реда на големина посилно од гравитационата сила која дејствува помеѓу нив.

Електростатските феномени вбројуваат голем број примери, почнувајќи од привлекувањето на проѕирна фолија со твојата рака откако ќе биде отстранета од пакетот, до штетата на електронските компоненти додека се произведуваат или работата на фотокопирите. Електростатиката вклучува собирање на полнеж на површината на предметите поради контакти со други предмети. Иако задолжителна размена се случува секогаш кога било кои две површини се во контакт, ефектите од ваква размена обично се забележливи кога барем едната од двете површини има висока отпорност на електричен проток. Тоа е затоа што полнежите кои се трансферирани од и до високо отпорната површина се помалку или повеќе заробени за доволно долго време за нивните ефекти да бидат забележани. Овие полнежи тогаш остануваат на објектот, или се заземјуваат или се неутрализираат со празнење, познатиот феномен на статичен шок е предизвикан од неутрализацијата на полнеж насобран во телото при допир со не спроводливи површини.

Фундаментални концепти[уреди]

Кулонов закон[уреди]

Фундаментална равенка на електростатика е Кулоновиот закон, кој ја опишува силата помегу две точкести полнежи. Големината на електростатичка сла помегу две точкасти полнежи Q1 и Q2 е директно пропорционална на производот на полнежите и обратен пропорционално до површината на сфера чиј радиус е еднаков НА растојанието помегу двата полнежа.

F = \frac{Q_1Q_2}{4\pi r^2\varepsilon_0}\ ,

Каде што, ε 0 е константа, наречена пермеабилитет на слободен простор , со дефинирана вредност:

 \varepsilon_0 \ \stackrel{\mathrm{def}}{=}\ \frac {1}{\mu_0 {c_0}^2} = 8.854\ 187\ 817\ \times 10^{-12}   in A2s4 kg-1m−3 or C2N−1m−2 or F m−1.

Електрично поле[уреди]

Електричното поле (во единици на волти нн метар) во дадена точка се дефинира како сила (во њутни) врз единичен полнеж во таа точка:

\vec{E} = \frac{\vec{F}}{q}.\,

Од оваа дефиниција и кулоновиот закон, следува дека величината на електричното поле Е создадено од точкаст полнеж Q е

E(\vec r) = \frac{Q}{4\pi\  r^2\varepsilon_0}.

Електричното поле произведено од страна на дистрибуција на полнежи дадени од страна на густината на полнежи е дадено со тројниот интеграл

\vec E(\vec r) = \frac {1}{4 \pi \epsilon_0} \iiint \frac {\vec r - \vec r '}{\left \| \vec r - \vec r ' \right \|^3} \rho (\vec r ')\, \operatorname{d}^3 r'.

Гаусов закон[уреди]

Гаусовиот закон кажува дека флуксот кој излегува од затворена површина е пропорционален со вкупниот полнеж кој е присутен внатре во површината. Тој ја завзема следнава интегрална форма:

\oint_S\varepsilon_0\vec{E} \cdot\mathrm{d}\vec{A} =  \int_V\rho\cdot\mathrm{d}V.

Или искажано на друг начин,

\vec{\nabla}\cdot\varepsilon_0\vec{E} = \rho.

Поисонова равенка[уреди]

Дефиницијата на електростатичниот потенцијал, комбинирано со Гаусовиот закон даден погоре, ја дава зависноста на потенцијалот φ и густината на полнеж ρ:

{\nabla}^2 \phi = - {\rho\over\varepsilon_0}.

Оваа зависност е фо формата на поасонова равенка. {\varepsilon_0} е пермеабилитет на вакуум.

Лапласова равенка[уреди]

Во отсуство на електричен полнеж, оваа равенка ја завзема формата,

{\nabla}^2 \phi = 0,

Која е Лапласова равенка.

Електростатично приближување[уреди]

Валидноста на електростатското приближување е можно поради претпоставката дека електричното поле не е ротационо:

\vec{\nabla}\times\vec{E} = 0.

Од Фарадеевиот закон, ова приближување имплицира отсутство или приближно отсуство на магнетни полиња кои варираат со времето:

{\partial\vec{B}\over\partial t} = 0.

Со други зборови, електростатиката не бара отсуство на магнетно поле или електрични струи. Напротив, ако магнетни полиња или електрична струја постојат, тие не смеат да се променуваат со текот на времето, или во најлош случај тие мора да се менуваат многу бавно. Во некои проблеми, како и електростатиката и магнетостатиката се бара за поточни предвидувања, но мегусебните ефекти можат да бидат игнорирани.

Електростатичен потенцијал[уреди]

Electrostatic induction.svg

Поради тоа што електричното поле е неротационално, можно е да се изрази како градиент од скаларна функција, наречена електростатски потенцијал (напон). Електричното поле Е тече од региони со висок потенцијал накај региони со низок потенцијал, математички изразено како,

\vec{E} = -\vec{\nabla}\phi.

Електростатичкиот потенцијал во дадена точка може да се дефинира како работата во единица полнеж која е потребна да се донесе полнежот од бесконечност до дадената точка.

Трибоелектрични серии[уреди]

Трибо електричен ефект е вид на електрификација поради контакт во која одредени материјали стануваат наелектризирани кога се доведуваат во контакт со различен материјал и потоа се одвојуваат. Еден од материјалите се стекнува со позитивен полнеж а другит со еднаков негативен полнеж. Поларитетот и силата на полнежите се разликува со зависност од материјалите, површинска грубост, температура, притисок, како и други својства. На пример килибарот, може да добие електричен полнеж при триење со материјал како волна. Ова својство, прво забележано од Талес од Милет, бил првиот електричен феномен истражуван од страна на лугето. Други примери на материјали кои можат да се здобијат со полнеж кога се тријат еден од друг вклучува стакло со свила, тврда гума со крзно.

Електростатични генератори[уреди]

Присуството не неизбалансирани површински полнежи значи дека предметите ке бидат изложени на привлечни или одбивни сили. Оваа површинска нерамнотежа, која дава статички електрицитет, може да биде генерирано со допирање на две различни површинии потоа одвојувајки ги поради феномените на електрификација при контакт и трибоелектричен ефект. Триење на две неспроводливи површини генерира голема сума на статички електрицитет. Ова не е само резултат на триење, две неспроводливи површини можат да се електрифицираат дури и ако едната само се стави на врвот на другите. Бидејки повекето површини имаат груба текстура, потребно е подолго време да се постигне за полнење преку контакт отколку преку триење. Обично, изолаторите, супстанции кои не пренесуваат електрична енергија се добри и за генерирање и за држење на површински полнеж. Некои примери на вакви супстанции се гума, пластика, стакло. Спроводливите објекти само ретко произведуваат нерамнотежа на полнежот, освен кога на пример кога на метална површина се додава цврсти или течни не спроводници. Полнежот кој се пренесува во текот на електрификацијата се складира на површината на секој објект. Статични електрични генератори, уреди кои создаваат многу висок напон при многу ниска струја и се користат за физички демонстрации во образованието се базирааат на овој ефект.

Неутрализација на полнежите[уреди]

Природните електростатски феномени се познати како повремена навреденост во сезоните на мала влажност, но може да биде деструктивно и штетно во некои ситуации (на пример производството на електроника). Кога работите во директен контакт со интегрирано електрично коло (посебно деликатно МОСФЕТ) или во присуство на запаливи гасови, мора да се внимава за да се избегне акумулирање и одеднаш празнење на статичкото плакање.

Индукција на полнеж[уреди]

Индукција на полнење се случува кога негативно налектризиран објект ги одбива електроните на друг објект. Ова креира регион во вториот предмет што е повеке позитивно наелектризиран. Тогаш постои привлечна сила помегу објектите. На пример, кога се трие балон, тогаш балонот ке се залепи за ѕидот бидејки привлечна сила се создава помегу двете наелектризирани површини. (површината на ѕидот добива електричен полнеж поради индукција, бидејки електроните на површината на ѕидот се одбиваат поради негативно наелектризираниот балон, правејки позитивна површина на ѕидот која пак е привлечена кон површината на балонот. Овој ефект може да биде истражен со симулација на балон и статички електрицитет.

Статички електрицитет[уреди]

Lightning over Oradea Romania 3.jpg

Пред 1832 година, кога Мајкл Фарадеј ги објави резултатите од експерименти за идентитетот на електрицитетите, физичарите мислеле дека статистичкиот електрицитет бил многу поразличен од другите електрични полнежи. Мајкл Фарадеј покажал дека електричната енергија произведена од магнет, електричната енергија произведена од страна на батеријата и статичкиот електрицитет се исти феномени. Статичкиот електрицитет обично е предизвикан кога некои материјали се тријат едни од други, како волна на пластика или гон од чевли врз килим. Овој процес предизвикува електроните да се повлечат од површината на еден од материјалите и да се преселат на површината на друг материјал. Статичен шок се случува кога површината на вториот материјал која е негативно наелектризирана со елестрони допира спроводник кој е позитивно наелектризиран или обратно. Статичкиот електрицитет најчесто се користи во филтри за воздух и во некои автомобилски бои. Статички електрицитет е наталожување на електрични полнежи на два објекта кои се одделени еден од друг. Мали електрични компоненти можат многу лесно да бидат оштетени од статичкиот електрицитет. Произведувачите користат многу антистатички уреди за да се избегне ова.

Статички електрицитет и хемиската индустрија[уреди]

Кога различни материјали се донесени заедно и потоа се одвојат, може да настане акумулација на електрично полнење кое го остава едниот материјал позитивно наелектризиран додека другиот е негативно наелектризиран. Благиот шок кој го добивате поради допирањето на заземјен објект после одење по килим е пример на вишокот на електрично полнење кое се акумулира во телото поради триењето на чевлите со килимот. Резултантниот полнеж низ вашето тело може да генерира силно електрично празнење. Иако експериментите со статичкиот електрицитет можат да бидат забавни, слични искри создаваат сериозни опасности во оние индустрии кои се занимаваат со запаливи супстанции, кадешто една мала искра може да запали експлозивни смеси со катастрофални последици. Сличен механизам за полнење може да се случи во рамките на течности со ниска спроводливост кои течат низ нафтоводи – процесс наречен електрификација низ проток. Течностите кои имаат ниска електрична спроводливост( под 50 пико сименс на метар, каде пикосименс на метар е мерка за електрична спроводливост) се нарекуваат акумулатори. Течностите кои имаат повеке од 50pS/m се не-акумулатори. Во не-акумулаторите, полнежите се рекомбинираат веднаш штом ке се одвојат па така електростатичкото производство на полнеж не е значајно. Во петрохемиската индустрија 50pS/m e препорачлива минимална вредност на електричната спроводливостза соодветно отстранување на полнежи од течноста. Важен концепт за изолација на течностите е време на статична релаксација. Ова е слично на временската константа во рамките на RC коло. За изолациски материјали, тоа е односот на статичката диелектрична констата, поделена со електричната спроводливост на материјалот. За јаглеводородни течности, ова понекогаш се поистоветува со делење на бројот 18 со електричната спороводнивост на течноста. Така, течност која има електрична спроводливос од 1PS/cm (100PS/m) ке има време на релаксација околу 18 секунди. Вишокот на полнеж во рамките на една течност, речиси целосно се троши во 4-5 пати подолго од тоа време, или околу 90 секунди во горенаведениот пример. Генерацијата на полнење се зголемува со зголемувањето на брзините и дијаметрите на цевките, станувајки значајна во 8инчни цевки (200mm) или поголеми. Статичната генерација на полнежи е најдобро контролирана со ограничувањето на брзините на течностите. Британскиот стандард BS PD CLC/TR 50404:2003 (поранешен BS-5958-Part 2) Кодекс на пракса за контрола на несакани статички електрицитет препишува граници на брзината.Поради своето големо влијание врз диелектричната константа, препорачаната брзина за јаглеводородни течности кои содржат вода треба да се ограничи на 1 m/s. Сврзување и заземјување се вообичаените начини со кои наталожувањето на полнежи може да биде спречено. За течности со електрична спроводливост под 10PS/m сврзување и заземјување не се адекватни и анти статички адитиви би можеле да бидат потребни.

Применливи стандарди[уреди]

  1. 1.BS PD CLC/TR 50404:2003 Код на пракса за контрола на несакан статички електрицитет
  2. 2.NFPA 77 (2007) препорачана пракса за статички електрицитет
  3. 3.API RP 2003 (1998) заштита од несреки кои произлегуваат од статична струја и молњи

Електростатичка индукција во комерцијални апликации[уреди]

Принципот на електростатска индукција има корисен ефект во индустријата многу години почнувајки од воведувањето на електростатско бојадисување на индустриски системи за економична примена на енамел и полиретански бои до потрошувачка стока, вклучувајки автомобили, велосипеди и други производи.

Наводи[уреди]

  • Фарадеј Мајкл: Експериментални истражувања во електрицитет. Лондон, Кралски институт, 1983
  • Халидеј Давид, Роберт Ресник, Кенет Кране: Физика. Џон Вилеј и синовите, Њујорк, 1992
  • Грифитс Давид: Вовед во електродинамиката.ЊуЏерси Прентис Халл, 1999