Chci vědět všechno

Elektrostatika

Pin
Send
Share
Send


Elektrostatika je věda, která zahrnuje výzkum jevů souvisejících s tím, co se jeví jako stacionární elektrické náboje. Takové jevy jsou známé jako elektrostatické jevy.

Od starověku bylo známo, že otření některých materiálů jim dává schopnost přitahovat malé, lehké předměty. Bylo zjištěno, že takové materiály získaly elektrický náboj. Mezi příklady materiálů, které mohou získat významný náboj, když se tře, patří jantarové tření vlnou, sklo tištěné hedvábím a tvrdá guma třená kožešinou. Tato vlastnost, poprvé zaznamenaná Thalesem z Milét, navrhovala slovo „elektřina“ z řeckého slova pro jantar, elektron.

Ačkoli se elektrostaticky indukované síly zdají být spíše slabé, elektrostatická síla mezi elektronem (který je negativně nabitý) a protonem (který je pozitivně nabitý), společně tvořící atom vodíku, je asi o 40 řádů silnější než gravitační síla působící mezi nimi.

Zásady elektrostatiky hrají zásadní roli v řadě technologií, včetně baterií, palivových článků, elektrolytického pokovování, termočlánků, diod rádiového detektoru, fotobuněk, diod emitujících světlo (LED), termoelektrických článků, vzduchových filtrů a xerografie. Nežádoucí akumulace náboje však vedla k poškození elektronických součástek během výroby ak zjevně spontánnímu výbuchu obilných sil.

Papírové hobliny přitahované nabitým CD.

Dějiny

Přírodní jev statické elektřiny je znám již od starověku. To bylo zaznamenáno Thales of Miletus v šestém století B.C.E. Vědecký výzkum v tomto předmětu začal, když byly stroje postaveny tak, aby uměle vytvářely statickou elektřinu, jako je generátor tření vyvinutý Otto von Guericke v sedmnáctém století. Spojení mezi statickou elektřinou a bouřkovými mraky bylo skvěle prokázáno Benjaminem Franklinem v roce 1750.12

Na konci osmnáctého století vědci vyvinuli citlivé nástroje pro detekci „elektrifikace“, jinak známé jako nerovnováha elektrostatického náboje. Fenomén elektrifikace kontaktem, také známý jako kontaktní elektrifikace nebo kontaktní napětí, byl rychle objeven. Když se dotkli dva objekty společně, někdy se objekty spontánně nabily. Jeden objekt vyvinul čistý záporný náboj, zatímco druhý vyvinul stejný a opačný kladný náboj.

Na základě pozorování kontaktní elektrizace se vědci pokusili vysvětlit, jak se generuje elektřina v elektrické baterii nebo hromada voltaic, jak se tehdy nazývalo.3 Tento teoretický pohled byl nakonec nahrazen současnou teorií elektrochemie, konkrétně, že elektřina je generována působením chemie a výměnou elektronů mezi atomy tvořícími baterii. Důležitým faktem vedoucím k odmítnutí teorie kontaktního napětí bylo pozorování, že korozi (chemická degradace baterie) se zdálo být nevyhnutelné při jejím použití a že čím více elektřiny bylo odebíráno z baterie, tím rychleji koroze pokračovala.

Efekt Volta skutečně odpovídá slabému elektrickému potenciálu vznikajícímu kontaktem různých kovů. Tento efekt byl poprvé objeven Alessandrem Voltou a lze jej měřit pomocí kapacitního elektroskopu složeného z různých kovů. Skutečný účinek však není dostatečně silný, aby byl zohledněn účinek elektrických baterií.

Mezi začátkem 18. a 30. let 20. století bylo vynalezeno množství suchých hromádek o vysokém napětí, které se pokusily vysvětlit statickou elektřinu a konkrétně podpořit Voltovu hypotézu kontaktního napětí. Oxford Electric Bell je jedním z příkladů.

Dokud ne 1832, fyzici mysleli si, že statická elektřina byla nějak odlišná od jiných forem elektřiny. Poté v roce 1832 zveřejnil Michael Faraday výsledky experimentu, který prokazoval, že elektřina indukovaná magnetem, voltaická elektřina produkovaná baterií a statická elektřina byly všechny stejné. Od doby Faradayova výsledku se historie statické elektřiny spojila se studiem elektřiny obecně.

Výroba statické elektřiny

Blesky nad Oradea v Rumunsku.

Statická elektřina je hromadění elektrického náboje na povrchu předmětů, když přicházejí do vzájemného kontaktu a poté jsou od sebe odděleny. Jeden povrch získá kladný náboj, druhý záporný náboj. Tření (tření povrchů) není nutné, i když v mnoha situacích tento jev značně zvyšuje. Elektrostatika zahrnuje studium vlastností spojených s takovým nárůstem náboje.

Ačkoli k výměně náboje dochází vždy, když se kterékoli dva povrchy dostanou do kontaktu a oddělí se, účinky výměny náboje jsou obvykle zaznamenány pouze tehdy, když alespoň jeden z povrchů má vysoký odpor vůči elektrickému toku. Důvodem je to, že náboje, které se přenášejí na nebo z vysoce odporového povrchu, jsou tam víceméně zachyceny po dostatečně dlouhou dobu, aby byly pozorovány jejich účinky. Tyto nálože pak zůstávají na předmětu, dokud buď nevypouštějí na zem, nebo nejsou rychle neutralizovány výbojem.

Například elektrický náboj se vytváří, když se vlna otírá o plasty nebo když se podrážka bot otírá o koberec. Mírný šok, který člověk dostane po dotyku s uzemněným předmětem po chůzi po koberci, je příkladem nadměrného elektrického náboje, které se v těle hromadí z třecího nabíjení mezi botami a kobercem. Výsledné nahromadění náboje v těle může způsobit silný elektrický výboj. Blesk je příkladem obrovského elektrického výboje v atmosféře.

Proces vytváření nábojů na površích, které přicházejí do styku, není dobře znám. Může to být způsobeno elektronovým krádežím pomocí kvantového tunelování nebo přenosem povrchových iontů. Když se negativně nabitý materiál dotkne kladně nabitého vodiče, dojde k jiskře nebo pociťuje statický šok. Podobný jev nastává, když se materiál, který je pozitivně nabitý, dotkne negativně nabitého vodiče.

Statický elektroenergetický a chemický průmysl

Přestože experimentování se statickou elektřinou může být zábavné, jiskry produkované během elektrického výboje mohou v chemickém průmyslu, který se zabývá hořlavými látkami, představovat vážné nebezpečí. V takových případech může malá elektrická jiskra vznítit výbušné směsi s ničivými následky.

K podobnému nabíjecímu mechanismu může dojít u tekutin s nízkou vodivostí protékajících potrubím - tzv. Proces elektrifikace proudu. Tekutiny, které mají nízkou elektrickou vodivost (pod 50 pico siemens / cm, kde pico siemens / cm je měřítkem elektrické vodivosti), se nazývají akumulátory. Tekutiny s vodivostí nad 50 pico siemens / cm se nazývají neakumulátory. U ne-akumulátorů se náboje rekombinují tak rychle, jak jsou oddělené, a proto generování elektrostatického náboje není významné. V petrochemickém průmyslu je doporučená minimální hodnota elektrické vodivosti 50 pico siemens / cm pro adekvátní odstranění náboje z tekutiny.

Důležitým konceptem izolačních tekutin je doba statické relaxace. Je to podobné časové konstantě (tau) v obvodu RC. U izolačních materiálů je to poměr statické dielektrické konstanty dělený elektrickou vodivostí materiálu. U uhlovodíkových kapalin se to někdy přibližuje vydělením čísla 18 elektrickou vodivostí tekutiny. Tekutina, která má elektrickou vodivost 1 pico siemens / cm, tak bude mít odhadovanou dobu relaxace asi 18 sekund. Přebytečný náboj v tekutině bude téměř úplně rozptýlen po čtyřech až pětinásobku relaxační doby nebo 90 sekundách pro tekutinu ve výše uvedeném příkladu.

Vytváření náboje se zvyšuje při vyšších rychlostech tekutin a větších průměrech trubek a stává se poměrně významnými v trubkách 8 palců (200 mm) nebo větších. Statické generování náboje v těchto systémech je nejlépe řízeno omezením rychlosti tekutiny.

Spojování a uzemnění jsou obvyklé způsoby, jak zabránit hromadění náboje. U tekutin s elektrickou vodivostí nižší než 10 pico siemens / cm není spojení a uzemnění dostatečné pro rozptyl náboje a mohou být vyžadovány antistatické přísady.

Elektrostatické generátory

Obvykle izolátory, tj. Látky, které nevedou elektřinu, jsou dobré jak při výrobě, tak při udržování povrchového náboje. Některé příklady těchto látek jsou guma, plast, sklo a dřeň. Vodivé předměty generují nerovnováhu náboje jen zřídka, kromě případů, kdy je kovový povrch nárazem pevných nebo kapalných nevodičů. Náboj, který se přenáší během elektrizace kontaktu, je uložen na povrchu každého objektu. Statické elektrické generátory, zařízení, která produkují velmi vysoké napětí při velmi nízkém proudu a používají se pro demonstraci fyziky ve třídě, se spoléhají na tento efekt.4

Neutralizace náboje

Přirozené elektrostatické jevy jsou nejznámější jako občasné nepříjemnosti v obdobích nízké vlhkosti, ale v některých situacích (např. Výroba elektroniky) mohou být destruktivní a škodlivé. Při práci v přímém kontaktu s elektronikou integrovaných obvodů (zvláště u jemných MOSFETů) nebo v přítomnosti hořlavého plynu je třeba dbát na to, aby nedošlo k hromadění a náhlému vybití statického náboje. K ochraně citlivých elektronických součástí mohou výrobci používat řadu antistatických zařízení.

Indukce náboje

K indukci náboje dochází, když záporně nabitý objekt odpuzuje elektrony z povrchu druhého objektu. Tím se vytvoří oblast v druhém objektu, která je nabitá pozitivněji. Mezi objekty pak působí přitažlivá síla. Například, když je balónek otřen, balónek se přilepí na stěnu, když přitažlivá síla působí dvěma opačně nabitými povrchy (povrch stěny získává elektrický náboj díky indukci náboje, protože volné elektrony na povrchu zeď je odpuzována negativním balónkem, čímž se vytváří pozitivní povrch stěny, který je následně přitahován k povrchu balónku). Účinek lze prozkoumat simulací balónku a statické elektřiny.5

Aplikace

Studie v oblasti elektrostatiky vedly k vývoji celé řady moderních elektrických a elektronických technologií, jako jsou baterie, palivové články, galvanické pokovování, termočlánky a polovodičová spojovací zařízení včetně diod s rádiovým detektorem, fotobuněk, světelných diod (LED), a termoelektrické buňky. Kromě toho se principy elektrostatiky běžně používají v xerografii, vzduchových filtrech a některých automobilových barvách.

Matematické základy

Coulombův zákon

Základní rovnicí elektrostatiky je Coulombův zákon, který popisuje sílu mezi dvěma bodovými náboji. Velikost elektrostatické síly mezi dvoubodovými elektrickými náboji je přímo úměrná součinu velikostí každého náboje a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi náboji, a :

kde ε0 je elektrická konstanta, definovaná hodnota:

v2s4 kg-1m−3 nebo C2N−1m−2 nebo F m−1.

Elektrické pole

Elektrické pole (v jednotkách voltů na metr) je definováno jako síla (v newtonech) na jednotkový náboj (v coulombech). Z této definice a Coulombova zákona vyplývá, že velikost elektrického pole E vytvořeno jednobodovým nábojem Q je

Gaussův zákon

Gaussův zákon říká, že „celkový elektrický tok uzavřeným povrchem je úměrný celkovému elektrickému náboji uzavřenému v povrchu.“ Konstanta proporcionality je permitivita volného prostoru.

Matematicky má Gaussův zákon podobu integrální rovnice:

Alternativně se v diferenciální formě stává rovnice

Elektrostatická aproximace

Platnost elektrostatické aproximace spočívá na předpokladu, že elektrické pole je irratační:

Z Faradayova zákona tento předpoklad předpokládá nepřítomnost nebo téměř nepřítomnost časově proměnlivých magnetických polí:

Jinými slovy, elektrostatika nevyžaduje nepřítomnost magnetických polí nebo elektrických proudů. Spíše, pokud magnetická pole nebo elektrické proudy dělat existují, nesmí se měnit s časem, nebo v nejhorším případě, musí se měnit pouze s časem velmi pomalu. V některých problémech mohou být pro přesné předpovědi vyžadovány elektrostatika i magnetostatika, ale spojení mezi nimi lze stále ignorovat.

Elektrostatický potenciál (napětí)

Protože elektrické pole je irratational, to je možné vyjádřit elektrické pole jako gradient skalární funkce, nazvaný elektrostatický potenciál (také známý jako napětí). Elektrické pole, , body z regionů s vysokým potenciálem, φ, do regionů s nízkým potenciálem, vyjádřené matematicky jako

Poissonova rovnice

Definice elektrostatického potenciálu v kombinaci s diferenciální formou Gaussova zákona (výše) poskytuje vztah mezi potenciálem φ a hustotou náboje ρ:

Tento vztah je formou Poissonovy rovnice. Kde je vakuová permitivita.

Laplaceova rovnice

Při absenci nepárového elektrického náboje se rovnice stává

což je Laplaceova rovnice.

Viz také

  • Alessandro Volta
  • Kondenzátor
  • Elektřina
  • Elektromagnetismus
  • Elektron
  • Elektronegativita
  • Tření
  • Ion
  • Iontová vazba
  • Michael Faraday

Poznámky

  1. ↑ Franklin's Kite Získáno 21. července 2008.
  2. ↑ E. Philip Krider (leden 2006), Benjamin Franklin a Lightning Rods Fyzika dnes 59 (1): 42. Získáno 21. července 2008.
  3. ↑ Willem Hackmann, Enigma Voltova „kontaktního napětí“ a vývoj „suché hromady“, v Nuova Voltiana: Studie o Voltě a jeho časech Svazek 3 editoval Fabio Bevilacqua a Lucio Fregonese, 2000, str. 103-119. Načteno 22. července 2008.
  4. ↑ Všimněte si, že přítomnost elektrického proudu neznižuje elektrostatické síly ani jiskření, koronový výboj nebo jiné jevy. Oba jevy mohou existovat současně ve stejném systému.
  5. ↑ Balóny a statická elektřina, technologie výuky fyziky, University of Colorado v Boulderu. Načteno 20. července 2008.

Reference

  • Besançon, Robert M. 1985. Encyklopedie fyziky. 3. ed. New York: Van Nostrand Reinhold Company. ISBN 0442257783
  • Faraday, Michaele. 1839. Experimentální výzkumy v elektřině. London: Royal Inst. e-kniha, dostupná zdarma prostřednictvím Project Gutenberg, no. 14986.
  • Griffiths, David J. 1999. Úvod do elektrodynamiky. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 013805326X
  • Halliday, David, Robert Resnick a Kenneth S. Krane. 1992. Fyzika. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0471804576
  • Haus, Hermann A. a James R. Melcher. 1989. Elektromagnetická pole a energie. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. ISBN 013249020X

Externí odkazy

Všechny odkazy byly načteny 14. září 2017.

  • Beaty, William J. 1997. Lidé a jiskry: příčina, zastavení bolesti a „električtí lidé“.
  • McAulay, Alexander. 1893. Užitečnost kvaternionů ve fyzice, oddíl IV: Elektřina a magnetismus; Elektrostatika - obecný problém Macmillan.
  • Russell, Alexander. 1904. Pojednání o teorii střídavých proudů: Electrostatics University Press.
  • "Neviditelná elektrostatická zeď" v závodě na lepicí pásku 3M

Pin
Send
Share
Send