Электростатика - это раздел физики , изучающий электрические заряды в состоянии покоя .
С классической физикой , было известно , что некоторые материалы, такие как янтарь , привлекают легкие частицы после растирания . Греческое слово , амбры, ήλεκτρον , или электрона , был , таким образом , источником слова « электричества ». Электростатические явления возникают из-за сил, которые электрические заряды действуют друг на друга. Такие силы описываются законом Кулона . Несмотря на то, что электростатические силы кажутся довольно слабыми, некоторые электростатические силы, такие как сила между электроном и протоном , которые вместе составляют атом водорода , примерно на 36 порядков сильнее гравитационной силы, действующей между ними.
Существует множество примеров электростатических явлений, от таких простых, как притяжение пластиковой пленки к руке после ее извлечения из упаковки, до очевидного самопроизвольного взрыва зернохранилищ, повреждения электронных компонентов во время производства, а также фотокопировального устройства и лазера. работа принтера . Электростатика предполагает накопление заряда на поверхности объектов из-за контакта с другими поверхностями. Хотя перезарядка происходит всякий раз, когда любые две поверхности соприкасаются и разделяются, эффекты перезарядки обычно замечаются только тогда, когда хотя бы одна из поверхностей имеет высокое сопротивление электрическому потоку. Это связано с тем, что переносимые заряды задерживаются там на время, достаточное для наблюдения за их действием. Эти заряды затем остаются на объекте до тех пор, пока они не стекут на землю или не будут быстро нейтрализованы разрядом : например, знакомое явление статического «шока» вызвано нейтрализацией заряда, накопленного в теле от контакта с изолированными поверхностями. .
Закон Кулона
Закон Кулона гласит, что:
«Величина электростатической силы притяжения или отталкивания между двумя точечными зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними».
Сила проходит по соединяющей их прямой линии. Если два заряда имеют одинаковый знак, электростатическая сила между ними является отталкивающей; если у них разные знаки, сила между ними притягательна.
Если расстояние (в метрах ) между двумя зарядами, затем сила (в ньютонах ) между двумя точечными зарядами а также (в кулонах ) составляет:
где ε 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума или диэлектрическая проницаемость свободного пространства: [5]
В СИ единиц е 0 являются эквивалентными 2 с 4 кг -1 м -3 или С 2 Н -1 м -2 или Р м -1 . Постоянная Кулона :
Один протон имеет заряд е , а электрон - е , где,
Эти физические константы (ε 0 , k 0 , e) в настоящее время определены так, что e точно определено, а ε 0 и k 0 являются измеряемыми величинами.
Электрическое поле
Электрическое поле ,в единицах ньютонов на кулон или вольт на метр - это векторное поле, которое может быть определено везде, кроме места расположения точечных зарядов (где оно расходится до бесконечности). [6] Это определяется как электростатическая сила.в ньютонах на гипотетическом небольшом пробном заряде в точке согласно закону Кулона , деленное на величину заряда в кулонах
Линии электрического поля полезны для визуализации электрического поля. Полевые линии начинаются при положительном заряде и заканчиваются при отрицательном заряде. Они параллельны направлению электрического поля в каждой точке, и плотность этих силовых линий является мерой величины электрического поля в любой данной точке.
Рассмотрим набор частицы заряда , расположенные в точках (называемые точками источника ), электрическое поле на(называемая полевой точкой ): [6]
где вектор смещения от исходной точки к полевой точке , а также - единичный вектор , указывающий направление поля. Для одиночного точечного заряда в начале координат величина этого электрического поля равнаи указывает в сторону от этого заряда, если он положительный. Тот факт, что силу (и, следовательно, поле) можно вычислить путем суммирования всех вкладов, вносимых отдельными исходными частицами, является примером принципа суперпозиции . Электрическое поле, создаваемое распределением зарядов, определяется объемной плотностью заряда и может быть получен преобразованием этой суммы в тройной интеграл :
Закон Гаусса
Закон Гаусса гласит, что «полный электрический поток через любую замкнутую поверхность в свободном пространстве любой формы, нарисованный в электрическом поле, пропорционален общему электрическому заряду, заключенному в поверхности». Математически закон Гаусса принимает форму интегрального уравнения:
где является элементом объема. Если заряд распределяется по поверхности или вдоль линии, замените от или же . Теорема о расходимости позволяет записать закон Гаусса в дифференциальной форме:
где - оператор дивергенции .
Уравнения Пуассона и Лапласа
Определение электростатического потенциала в сочетании с дифференциальной формой закона Гаусса (см. Выше) обеспечивает связь между потенциалом Φ и плотностью заряда ρ:
Это соотношение является формой уравнения Пуассона . В отсутствие неспаренного электрического заряда уравнение превращается в уравнение Лапласа :
Электростатическое приближение
Справедливость электростатического приближения основывается на предположении, что электрическое поле является безвихревым :
Из закона Фарадея это предположение подразумевает отсутствие или почти полное отсутствие изменяющихся во времени магнитных полей:
Другими словами, электростатика не требует отсутствия магнитных полей или электрических токов. Напротив, если магнитные поля или электрические токи действительно существуют, они не должны изменяться со временем, или, в худшем случае, они должны изменяться со временем очень медленно . В некоторых задачах для точных прогнозов могут потребоваться как электростатика, так и магнитостатика , но связь между ними все же можно игнорировать. И электростатику, и магнитостатику можно рассматривать как галилеевы пределы электромагнетизма. [7] [ требуется проверка ]
Электростатический потенциал
Поскольку электрическое поле является безвихревым , электрическое поле можно выразить как градиент скалярной функции,, называемый электростатическим потенциалом (также известным как напряжение ). Электрическое поле,, указывает от областей с высоким электрическим потенциалом к областям с низким электрическим потенциалом, математически выраженным как
Теорема градиента может быть использована, чтобы установить, что электростатический потенциал - это количество работы на единицу заряда, необходимое для перемещения заряда из точки. В точку со следующим линейным интегралом :
Из этих уравнений мы видим, что электрический потенциал постоянен в любой области, для которой электрическое поле исчезает (например, внутри проводящего объекта).
Электростатическая энергия
Потенциальная энергия одиночной пробной частицы ,, можно вычислить из линейного интеграла работы,. Мы интегрируем из бесконечно удаленной точки и предполагаем набор частицы заряда , уже находятся в точках . Эта потенциальная энергия (в Джоулях ) равна:
где расстояние каждого заряда от тестового заряда , который находится в точке , а также это электрический потенциал, который будет на если тестового заряда не было. Если присутствуют только два заряда, потенциальная энергия равна. Полная электрическая потенциальная энергия из-за набора N зарядов вычисляется путем сборки этих частиц по одной за раз :
где следующая сумма от j = 1 до N исключает i = j :
Этот электрический потенциал, это то, что будет измеряться если обвинение отсутствовали. Эта формула, очевидно, исключает (бесконечную) энергию, которая потребовалась бы для сборки каждого точечного заряда из дисперсного облака зарядов. Сумма по зарядам может быть преобразована в интеграл по плотности заряда с помощью предписания.:
Это второе выражение для электростатической энергии использует тот факт, что электрическое поле представляет собой отрицательный градиент электрического потенциала, а также тождества векторного исчисления, которые напоминают интегрирование по частям . Эти два интеграла для энергии электрического поля, по-видимому, указывают на две взаимоисключающие формулы для плотности электростатической энергии, а именно: а также ; они дают равные значения для полной электростатической энергии, только если оба объединены по всему пространству.
Электростатическое давление
На проводник , поверхностный заряд будет испытывать усилие в присутствии электрического поля . Эта сила представляет собой среднее значение прерывистого электрического поля у поверхностного заряда. Это среднее значение поля вне поверхности составляет:
Это давление имеет тенденцию втягивать проводник в поле независимо от знака поверхностного заряда.
Трибоэлектрическая серия
Трибоэлектрического эффект представляет собой тип контактной электризации , в котором некоторые материалы становятся электрически заряженным , когда они вступают в контакт с другим материалом , а затем раздел ют. Один из материалов приобретает положительный заряд, а другой - такой же отрицательный. Полярность и сила создаваемых зарядов различаются в зависимости от материалов, шероховатости поверхности, температуры, деформации и других свойств. Янтарь, например, может приобретать электрический заряд при трении с таким материалом, как шерсть. Это свойство, впервые зафиксированное Фалесом Милетским , было первым электрическим явлением, исследованным людьми. Другие примеры материалов, которые могут приобретать значительный заряд при трении друг о друга, включают стекло, натертое шелком, и твердую резину, натертую мехом.
Электростатические генераторы
Наличие дисбаланса поверхностного заряда означает, что объекты будут проявлять силы притяжения или отталкивания. Этот дисбаланс поверхностных зарядов, который приводит к статическому электричеству, может быть создан путем соприкосновения двух различных поверхностей друг с другом, а затем их разделения из-за явления контактной электризации и трибоэлектрического эффекта . Трение двух непроводящих предметов создает большое количество статического электричества. Это не просто результат трения; две непроводящие поверхности могут стать заряженными, если их просто положить друг на друга. Поскольку большинство поверхностей имеют шероховатую текстуру, зарядка при контакте занимает больше времени, чем при трении. Трение предметов друг о друга увеличивает адгезионный контакт между двумя поверхностями. Обычно изоляторы , например вещества, не проводящие электричество, способны как генерировать, так и удерживать поверхностный заряд. Некоторыми примерами этих веществ являются резина , пластик , стекло и пробка . Проводящие объекты редко создают дисбаланс заряда, за исключением, например, случаев, когда на металлическую поверхность воздействуют твердые или жидкие непроводники. Заряд, который передается при контактной электризации, сохраняется на поверхности каждого объекта. Электростатические генераторы , устройства, которые вырабатывают очень высокое напряжение при очень низком токе и используются для демонстрации физики в классе, полагаются на этот эффект.
Наличие электрического тока не уменьшает электростатические силы, искрение, коронный разряд или другие явления. Оба явления могут существовать одновременно в одной и той же системе.
- См. Также: машина Вимшерста и генератор Ван де Граафа .
Нейтрализация заряда
Природные электростатические явления наиболее известны как случайные раздражители в сезоны низкой влажности, но в некоторых ситуациях могут быть разрушительными и вредными (например, при производстве электроники). При работе в прямом контакте с электроникой на интегральных схемах (особенно с чувствительными полевыми МОП-транзисторами ). При наличии горючего газа необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать накопления и внезапного разряда статического заряда (см. Электростатический разряд ).
Электростатическая индукция
Электростатическая индукция, открытая британским ученым Джоном Кантоном в 1753 году и шведским профессором Йоханом Карлом Вилке в 1762 году [8] [9] [10], представляет собой перераспределение зарядов в объекте, вызванное электрическим полем ближайшего заряда. Например, если положительно заряженный объект поднести к незаряженному металлическому объекту, подвижные отрицательно заряженные электроны в металле будут притягиваться внешним зарядом и перемещаться в сторону металла, обращенную к нему, создавая отрицательный заряд на поверхности. поверхность. Когда электроны покидают область, они оставляют положительный заряд из-за ядер атомов металла , поэтому сторона металлического объекта, обращенная от заряда, приобретает положительный заряд. Эти индуцированные заряды исчезают при удалении внешнего заряда. Индукция также отвечает за притяжение легких предметов, таких как воздушные шары, обрывки бумаги и арахис из пенопласта, к статическим зарядам. Поверхностные заряды, индуцированные в проводящих объектах, в точности нейтрализуют внешние электрические поля внутри проводника, поэтому внутри металлического объекта нет электрического поля. Это основа экранирования электрического поля клетки Фарадея . Поскольку электрическое поле представляет собой градиент напряжения, электростатическая индукция также отвечает за постоянство электрического потенциала ( напряжения ) во всем проводящем объекте.
Статическое электричество
До 1832 года, когда Майкл Фарадей опубликовал результаты своего эксперимента по идентификации электричества, физики думали, что «статическое электричество» чем-то отличалось от других электрических зарядов. Майкл Фарадей доказал, что электричество, индуцированное магнитом, гальваническое электричество, вырабатываемое батареей, и статическое электричество - это одно и то же.
Статическое электричество обычно возникает, когда определенные материалы трутся друг о друга, например, шерсть о пластик или подошва обуви о ковер. В результате этого процесса электроны отрываются от поверхности одного материала и перемещаются на поверхность другого материала.
Статический шок возникает, когда поверхность второго материала, отрицательно заряженная электронами, касается положительно заряженного проводника или наоборот.
Статическое электричество обычно используется в ксерографии , воздушных фильтрах и некоторых процессах нанесения покрытий, используемых в производстве. Статическое электричество - это накопление электрических зарядов на двух объектах, которые оказались отделенными друг от друга. Небольшие электрические компоненты могут быть повреждены статическим электричеством, и производители компонентов используют ряд антистатических устройств, чтобы избежать этого.
Статическое электричество и химическая промышленность
Когда различные материалы объединяются, а затем разделяются, может происходить накопление электрического заряда, в результате которого один материал остается заряженным положительно, а другой - отрицательно. Легкий шок, который вы получаете при прикосновении к заземленному предмету после прогулки по ковру, является примером избыточного электрического заряда, накапливаемого в вашем теле в результате фрикционного заряда между вашей обувью и ковром. В результате накопление заряда на вашем теле может вызвать сильный электрический разряд. Хотя эксперименты со статическим электричеством могут быть интересными, подобные искры создают серьезную опасность в тех отраслях, которые имеют дело с легковоспламеняющимися веществами, где небольшая электрическая искра может воспламенить взрывоопасные смеси с разрушительными последствиями.
Подобный механизм зарядки может происходить в жидкостях с низкой проводимостью, протекающих по трубопроводам - процесс, называемый электризацией потока. Жидкости с низкой электропроводностью (ниже 50 пикосименс на метр) называются аккумуляторами. Жидкости, имеющие удельную проводимость выше 50 пСм / м, называются неаккумулирующими. В неаккумуляторных батареях заряды рекомбинируют так же быстро, как и разделяются, и, следовательно, образование электростатического заряда не имеет значения. В нефтехимической промышленности рекомендуется минимальное значение электропроводности 50 пСм / м для адекватного удаления заряда из жидкости.
Важным понятием для изоляционных жидкостей является время статической релаксации. Это похоже на постоянную времени (тау) в RC-цепи . Для изоляционных материалов это отношение статической диэлектрической проницаемости к электропроводности материала. Для углеводородных жидкостей это иногда приблизительно определяется путем деления числа 18 на электропроводность жидкости. Таким образом, жидкость с электропроводностью 1 пСм / см (100 пСм / м) будет иметь расчетное время релаксации около 18 секунд. Избыточный заряд в жидкости будет почти полностью рассеиваться по истечении времени релаксации, в 4-5 раз превышающего время релаксации, или 90 секунд для жидкости в приведенном выше примере.
Образование заряда увеличивается при более высоких скоростях жидкости и большем диаметре трубы, становясь весьма значительным в трубах 8 дюймов (200 мм) или больше. Генерация статического заряда в этих системах лучше всего контролируется ограничением скорости жидкости. Британский стандарт BS PD CLC / TR 50404: 2003 (ранее BS-5958-Часть 2) Свод правил по контролю нежелательного статического электричества предписывает пределы скорости. Из-за большого влияния на диэлектрическую проницаемость рекомендуемая скорость для углеводородных жидкостей, содержащих воду, должна быть ограничена до 1 м / с.
Соединение и заземление - обычные способы предотвращения накопления заряда. Для жидкостей с электропроводностью ниже 10 пСм / м связывание и заземление недостаточно для рассеивания заряда, и могут потребоваться антистатические добавки.
Применимые стандарты
- BS PD CLC / TR 50404: 2003 Свод правил по контролю нежелательного статического электричества
- NFPA 77 (2007) Рекомендуемая практика по статическому электричеству
- API RP 2003 (1998) Защита от возгораний, возникающих из-за статического электричества, молнии и блуждающих токов
Электростатическая индукция в коммерческих приложениях
Электростатическая индукция использовалась в прошлом для создания генераторов высокого напряжения, известных как машины влияния . Главный компонент, появившийся в то время, - это конденсатор . Электростатическая индукция также используется для электромеханического осаждения или проецирования. В таких технологиях заряженные частицы небольшого размера намеренно собираются или осаждаются на поверхности. Области применения варьируются от электростатических фильтров до электростатических покрытий и струйной печати . Недавно новая технология беспроводной передачи энергии была основана на электростатической индукции между колеблющимися удаленными диполями.
Смотрите также
- Электромагнетизм
- Электроотрицательность
- Электростатический разряд
- Электростатический сепаратор
- Электростатический вольтметр
- Ионная связь
- Диэлектрический и относительная диэлектрическая проницаемость
- Квантование заряда
Сноски
- ^ Линг, Сэмюэл Дж .; Мобс, Уильям; Санни, Джефф (2019). Университетская физика, Vol. 2 . OpenStax. ISBN 9781947172210. Глава 30: Проводники, изоляторы и индукционная зарядка
- ^ Блумфилд, Луи А. (2015). Как все работает: физика повседневной жизни . Джон Уайли и сыновья. п. 270. ISBN 9781119013846.
- ^ «Поляризация» . Статическое электричество - Урок 1 - Базовая терминология и понятия . Кабинет физики. 2020 . Проверено 18 июня 2021 года .
- ^ Томпсон, Хочитл Самора (2004). «Зарядите! Все об электрическом притяжении и отталкивании» . Teach Engineering: Stem curriculum для K-12 . Колорадский университет . Проверено 18 июня 2021 года .
- ^ Мэтью Садику (2009). Элементы электромагнетизма . п. 104. ISBN 9780195387759.
- ^ а б Перселл, Эдвард М. (2013). Электричество и магнетизм . Издательство Кембриджского университета. С. 16–18. ISBN 978-1107014022.
- ^ Герас, JA (2010). «Галилеевы пределы уравнений Максвелла». Американский журнал физики . 78 (10): 1048–1055. arXiv : 1012.1068 . Bibcode : 2010AmJPh..78.1048H . DOI : 10.1119 / 1.3442798 . S2CID 118443242 .
- ^ «Электричество» . Британская энциклопедия, 11-е изд . 9 . Британская энциклопедия Ко. 1910. стр. 181 . Проверено 23 июня 2008 .
- ^ Хейлброн, Дж. Л. (1979). Электричество в 17-м и 18-м веках: исследование ранней современной физики . Univ. Калифорнийской прессы. ISBN 0520034783.
- ^ Саркар, Т.К .; Майлу, Роберт; Олинер, Артур А., Изд. (2006). История беспроводной связи . Джон Уайли и сыновья. п. 9. ISBN 0471783013.
Рекомендации
- Фарадей, Майкл (1839). Экспериментальные исследования в электричестве . Лондон: Королевский институт.
- Майкл Фарадей. Экспериментальные исследования в области электричества, том 1 в Project Gutenberg
- Холлидей, Дэвид; Роберт Резник; Кеннет С. Крейн (1992). Физика . Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. ISBN 0-471-80457-6.
- Гриффитс, Дэвид Дж. (1999). Введение в электродинамику . Река Аппер Сэдл, штат Нью-Джерси: Prentice Hall. ISBN 0-13-805326-X.
- Герман А. Хаус; Джеймс Р. Мелчер (1989). Электромагнитные поля и энергия . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN 0-13-249020-X.
дальнейшее чтение
- Эссе
- Уильям Дж. Бити (1997) « Люди и искры: причина, прекращение боли и« электрические люди »
- Книги
- Уильям Сесил Дампьер (1905) Теория экспериментального электричества , Cambridge University Press , (Кембриджская физическая серия). xi, 334 с. илл., диагр. 23 см. LCCN 05040419 // r33
- Уильям Томсон Кельвин (1872 г.) Перепечатка статей по электростатике и магнетизму Уильяма Томсона Кельвина , Macmillan
- Александр МакОлай (1893) Использование кватернионов в физике , электростатике - общая проблема . Macmillan
- Александр Рассел (1904) Трактат по теории переменного тока , Cambridge University Press, второе издание, 1914, том 1 . Второе издание, 1916, том 2 через Internet Archive
Внешние ссылки
- СМИ, связанные с электростатикой, на Викискладе?
- Лекции Фейнмана по физике Vol. II гл. 4: Электростатика
- Неподвижная мужская куртка вызывает тревогу ". BBC News, 16 сентября 2005 г.
- Статическое электричество и пластмассы
- « Могут ли разряды статического электричества повредить вашему здоровью? ». Страницы новостей Wolfson Electrostatics
- Невидимая электростатическая стена на заводе по производству клейкой ленты 3М
- Загружаемые электростатические БЭМ-модули в MATLAB для решения простых задач емкости
- Введение в электростатику: точечные заряды можно рассматривать как распределение с использованием дельта-функции Дирака.
Учебные материалы по электростатике в Викиверситете