Statisk elektrisitet

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk
En leketøysballong blir negativt elektrisk ladet når den gnis mot f.eks. hår. Når en slik elektrisk ladet ballong kommer nær en elektrisk nøytral gjenstand, for eksempel en vegg, vil de elektriske ladningene i veggen flytte seg omtrent slik figuren viser, slik at ballongen og veggen tiltrekkes av hverandre.

Statisk elektrisitet betyr stillestående elektrisitet og fagfeltet som behandler dette kalles elektrostatikk. Den andre delen av elektrisitetslæren kalles elektrodynamikk, som er læren om elektrisitet i bevegelse, som er elektrisk strøm.

Bakgrunn[rediger | rediger kilde]

Hovedingrediensene i elektrostatikken er faste stoffer som er elektriske isolatorer, og frie elektroner. Også i elektrostatikken foregår det forflytning av ladninger, men kun som enkeltstående hendelser, altså ikke som en kontinuerlig prosess.

I likevekt holder elektronene seg til atomkjernene sine. Atomkjernene sitter alltid fast i stoffet og de har positive ladninger. De fleste elektronene er fast bundet til atomkjernene sine og holder stoffet sammen. Likevel sitter elektronene i de ytterste skallene (Bohrs atommodell) ganske løst og kan bringes til å frigjøre seg og til å bevege seg. Elektronene har negative ladninger og kan derfor påvirkes med krefter. Hvert elektron har en fast mengde ladning, kalt elementærladningen. Mindre ladninger eksisterer ikke.

Like ladninger frastøter hverandre og ulike ladninger tiltrekker hverandre. Dette gjelder både mikroskopisk og makroskopisk betraktet. To elektroner frastøter hverandre mere jo nærmere hverandre de kommer.

Til et stykke isolator kan en tilføre en samling elektroner. Antall elektroner bestemmer hvor mye ladning som ble tilført isolatoren. Elektronene forblir værende noenlunde der de ble tilført, de fordeler seg ikke jevnt over isolatoren siden den ikke kan lede strøm. En kan tenke på dette som en negativt ladet øy. Likeledes kan en fjerne en samling elektroner fra et område; de positive atomkjernene er da i flertall slik at dette stedet har fått en positiv ladning.

Mellom ulike ladninger hersker en kraft som søker å utjevne forskjellen mellom for mange og for få elektroner. En leder kan kobles mellom disse øyene og vil da lede elektronene over inntil balanse er oppstått. Kraften som virker kalles elektrisk spenning. Bevegelsen av elektroner gjennom lederen kalles elektrisk strøm. Ubalansen setter opp et elektrisk felt mellom øyene, og feltets styrke måles i V/m (volt per meter). Feltet inneholder den energien som ble brukt til å forflytte elektronene. Elektroner som skulle befinne seg mellom de ulikt ladde øyene blir påvirket av dette feltet med en kraft som er proporsjonal til feltstyrken, rettet mot den positive øya.

Rav (harpiks) er en god isolator. Det var tidlig kjent at gnidning av et stykke rav med et tørt tøystykke eller dyrepels ville gjøre noe med det slik at små, lette partikler ville tiltrekkes av det. Rav heter elektron på gresk og var årsaken til bruken av dette ordet fikk med elektroteknikk å gjøre. Mennesker blir ladet når de går rundt med godt isolerende fottøy i tørre omgivelser. I mennesker fordeler elektronene seg jevnt over det hele, siden kroppsvev leder strøm ganske godt.

Flytting av store mengder elektroner fører til store spenninger, og ligger positive og negative ladninger svært nære hverandre blir også feltstyrken stor. I vakuum vil feltstyrker større enn ca. 1000 V/mm føre til at elektronene hopper over av seg selv, det oppstår en elektrisk ledende og strømførende gnist. I stor skala kalles gnisten et lyn; ladningene holdes av små vanndråper i atmosfæren.

Det var lenge ukjent hvorfor et ganske lite, lett stykke materie (som en liten bit papir) først ville tiltrekkes av en ladning, for så å bli frastøtt like kraftig etter den berørte stedet med ladningen. Det som skjer er at papirbiten er nøytral eller har en annen ladning enn stedet, og blir derfor tiltrukket. Ved berøring overtar papirbiten en del av stedets ladning slik at stedet og biten har fått samme ladning og derfor frastøter hverandre.

En gjenstand som er elektrisk ladet, det vil si som har for mange eller for få elektroner, sier vi er statisk elektrisk ladet.

Statisk elektrisitet er elektriske ladninger som ligger i ro på overflaten av ting. Du kan for eksempel få en ballong til å henge fast på veggen eller i taket etter at den er gnidd. Det er fordi ballongen blir elektrisk ladet når du gnir den. Gnistene er små lyn som går fra ballongen til håret. Dette kalles statisk elektrisitet. Elektrisitet er egentlig noen bitte små partikler som har elektrisk ladning. Elektronene har minusladning. Plussladninger og minusladninger trekker på hverandre. Når du gnir ballongen mot håret hopper elektroner over fra ballongen til håret. Ballongen blir plussladet og dersom du setter ballongen inn til veggen vil elektronene forsøke å "trekke" veggen (som er negativt ladet) til seg.

Statisk elektrisitet kan variere fra 500V til 20kV.

Elektrostatikk[rediger | rediger kilde]

Elektrostatikk er den delen av fysikken som omhandler fenomen som oppstår fra noe som virker å være stasjonær elektrisk ladning. Det har vært kjent siden oldtiden at enkelte materialer trekker til seg lette partikler etter gnidning. Det greske ordet for rav, ήλεκτρον (elektron), ga navnet til mange områder innen naturvitenskapen, nettopp fordi rav var et materiale som framviste denne egenskapen ved gnidning. Elektrostatiske fenomen oppstår fra krefter som elektriske ladninger utfører på hverandre. Slike krefter beskrives av Coulombs lov.

Mange fenomen kan betegnes som elektrostatiske: Det at plastfolie kleber seg til hånden etter å ha blitt tatt ut av pakningen, det at siloer tilsynelatende spontant eksploderer, skade på elektroniske komponenter ved produksjon, eller virkemåten til en kopimaskin er eksempler. Elektrostatikk har med en oppsamling av ladning på overflaten til objekter på grunn av kontakt med andre overflater å gjøre. Selv om ladningsutveksling alltid skjer når to overflater møtes og skilles, merkes effekten av ladningsutveksling vanligvis bare når minst en av overflatene har høy motstand mot elektrisk strøm. Dette kommer av at ladningen som overføres til eller fra overflaten med høy motstand er mer eller mindre fanget på overflaten lenge nok til at effekten kan observeres. Denne ladningen forblir deretter på objektet enten til den sakte overføres til jord, eller til den raskt nøytraliseres med en utladning, for eksempel det kjente fenomenet hvori man får 'støt' forårsaket av nøytralisering av ladning som er samlet opp i kroppen ved kontakt med ikkeledende overflater.

Kraften F som virker på en ladning Q på en testladning q er proporsjonal med testladningens størrelse. Den kan altså beskrives med ligningen F=q•E. Dette er definisjonen på det elektriske feltet E.

Den elektrostatiske tilnærmingen[rediger | rediger kilde]

Gyldigheten av den elektrostatiske tilnærmingen baserer seg på antagelsen om at det elektriske feltet oppfyller:

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

Vha. Faradays lov gir dette at det magnetiske feltet må være tidsuavhengig eller tilnærmet tidsuavhengig:

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

Med andre ord, elektrostatikk er gyldig selv om et magnetisk felt eller elektrisk strøm er tilstedeværende. Disse må imidlertid være tidsuavhengige eller variere svært sakte med tiden. Noen situasjoner krever bruk både av elektrostatikk og magnetostatikk for å kunne beregne nøyaktig hva som vil skje, men koblingen mellom disse kan allikevel ignoreres.

Elektrostatisk potensial[rediger | rediger kilde]

Siden det elektriske feltet har null rotasjon er det mulig å uttrykke det elektriske feltet som gradienten av en skalar funksjon. Denne kalles det elektrostatiske potensialet φ. Et elektrisk felt E peker alltid fra områder med høyt potensial til områder med lavere potensial, uttrykt matematisk som

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

Grunnleggende konsepter[rediger | rediger kilde]

Coulombs lov[rediger | rediger kilde]

Det elektriske potensialet i et punkt er mengden arbeid utført per ladningsenhet når en enhetsladning trekkes fra uendelig langt borte til punktet. Den grunnleggende ligningen i elektrostatikk er Coulombs lov, som beskriver kraften mellom to punktladninger. Størrelsen av den elektrostatiske kraften mellom to elektriske punktladninger er direkte proporsjonal med produktet av størrelsen til hver av ladningene og omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden mellom ladningene Q_1 og Q_2:

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

der ε0 er den elektriske konstant (også kalt vakuumpermittiviteten), definert ved

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

Det elektriske feltet[rediger | rediger kilde]

Det elektriske feltet (i enhetene volt pr. meter) er definert som kraften (i newton) pr. enhet ladning (i coulomb). Av denne definisjonen og Coulombs lov følger det at størrelsen til et elektrisk felt som settes opp av en punktladning Q er

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

Gauss' lov[rediger | rediger kilde]

Gauss' lov sier at «den totale elektriske fluksen gjennom en lukket overflate er proporsjonal med total elektrisk ladning omsluttet av overflaten». Proporsjonalitetskonstanten er den elektriske konstant. Matematisk har Gauss' lov form som en integrallikning:

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

der ρ er ladningstettheten i volumelementet dV. Loven kan også fremstilles som en differensiallikning:

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

Poissons likning[rediger | rediger kilde]

Definisjonen på det elektrostatiske potensial, kombinert med den differensielle versjonen av Gauss' lov (over), gir sammenhengen mellom potensialet φ og ladningstettheten ρ:

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

Denne sammenhengen er en versjon av Poissons likning.

Laplaces likning[rediger | rediger kilde]

Når det ikke er noen netto ladningsfordeling, tar Poissons likning formen

{\nabla}^2 \Phi = 0,

som kalles Laplaces likning

Den triboelektriske effekt[rediger | rediger kilde]

Den triboelektriske effekt er en slags kontakt-elektrifisering der enkelte materialer blir elektrisk ladet når de kommer i kontakt med et annet materiale og deretter skilles. Polariteten og ladningsmengden som dannes avhenger av materialet, overflateruhet, temperatur, strekk og andre egenskaper. Det er derfor vanskelig å forutsi hva som vil skje, og brede generaliseringer er det nærmeste en kommer en lov her. Rav, for eksempel, kan få elektrisk ladning ved friksjon med materialer som ull. Denne egenskapen, hvis tidligste nedskrevne observasjon er av Thales fra Milet, ga opphav til navnet «elektrisitet», fra det greske ordet for rav, èlectròn. Andre eksempler på materialer som kan samle opp en vesentlig ladningsmengde ved gnidning er glass gnidd mot silke, og hard gummi gnidd mot pels.

Elektrostatiske generatorer[rediger | rediger kilde]

Tilstedeværelsen av en ubalansert overflateladning mellom to objekter betyr at objektene vil tilkjennegi tiltrekkende eller frastøtende krefter. Denne ubalansen kan genereres ved å la to forskjellige overflater berøre hverandre og deretter skille dem. På grunn av elektrifikasjon ved kontakt og den triboelektriske effekten (over) vil det bli en ubalanse i ladning mellom disse objektene. Ved å gni to ikkeledende objekter mot hverandre kan man samle opp store mengder elektrisk ladning.

Dette er ikke bare et resultat av friksjon; to ikkeledende overflater kan lades bare ved at de legges oppå hverandre. Siden de fleste overflater er ru tar det lenger tid å lade dem ved kontakt enn ved gnidning. Vanligvis er isolatorer gode til å generere og holde på en overflateladning. Noen eksempler på slike materialer er gummi, plastikk og glass. Ledende objekter kan vanligvis ikke generere en ubalanse i ladning bortsett fra, for eksempel, når en overflate av metall treffes av faste eller flytende ikkeledere. Netto ladning på en leder fordeler seg på overflaten (pga Gauss' lov (over)) av lederen. Statisk elektrisitetsgeneratorer, innretninger som produserer veldig høy spenning ved veldig lav strøm, og som brukes i fysikkdemonstrasjoner, benytter seg av denne effekten.

Se også[rediger | rediger kilde]

Litteratur[rediger | rediger kilde]