Электростатика

редактировать

Электростатика - это раздел физики, изучающий электрические заряды на отдых.

Электростатический эффект: пенополистирол прилипает к кошачьей шерсти из-за статического электричества. Трибоэлектрический эффект вызывает накопление электростатического заряда на поверхности шерсти из-за движений кошки. Электрическое поле заряда вызывает поляризацию молекул пенополистирола из-за электростатической индукции, что приводит к небольшому притяжению легких пластиковых деталей к заряженному меху. Этот эффект также является причиной статического сцепления в одежде.

Начиная с классической физики, было известно, что некоторые материалы, такие как янтарь, притягивают легкие частицы после трения. Греческое слово, обозначающее янтарь, κλεκτρον, или электрон, стало, таким образом, источником слова «электричество». 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, вместе составляют водород атом, примерно на 36 порядков сильнее, чем гравитационная сила, действующая 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 силосов для зерна, повреждения электронных компонентов во время производство и копировальный аппарат и лазерный принтер эксплуатация. 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 заметны только тогда, когда по крайней мере 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 «сотрясения» вызывается нейтрализацией заряда, накопленного в корпус от контакта с изолированными поверхностями.

Содержание

  • 1 Закон Кулона
  • 2 Электрическое поле
    • 2.1 Закон Гаусса
    • 2.2 Уравнения Пуассона и Лапласа
  • 3 Электростатическое приближение
    • 3.1 Электростатический потенциал
    • 3.2 Электростатическая энергия
    • 3.3 Электростатическое давление
  • 4 Трибоэлектрическая серия
  • 5 Электростатические генераторы
  • 6 Нейтрализация заряда
  • 7 Электростатическая индукция
  • 8 Статическое электричество
    • 8.1 Статическое электричество и химическая промышленность
      • 8.1.1 Применимые стандарты
  • 9 Электростатическая индукция в коммерческих приложениях
  • 10 См. Также
  • 11 Сноски
  • 12 Ссылки
  • 13 Дополнительная литература
  • 14 Внешние ссылки

Закон Кулона

Закон Кулона гласит:

«Величина электростатической силы притяжения или отталкивания между двумя точечными зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними».

Сила действует по прямой, соединяющей их. Если два заряда имеют одинаковый знак, электростатическая сила между ними является отталкивающей; если у них разные знаки, сила между ними притягательна.

Если r {\ displaystyle r}r - расстояние (в метрах ) между двумя зарядами, то сила (в ньютонах ) между двумя точечными зарядами q {\ displaystyle q}qи Q {\ displaystyle Q}Qкулонах ):

F = 1 4 π ε 0 Q Q р 2 знак равно К 0 Q Q р 2, {\ Displaystyle F = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} {\ frac {qQ} {r ^ {2}}} = k_ {0} {\ frac {qQ} {r ^ {2}}} \,,}{\ displaystyle F = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} {\ frac {qQ} {r ^ {2}}} = k_ {0} {\ frac {qQ} {r ^ {2}}} \,,}

где ε 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, или диэлектрическая проницаемость свободного пространства:

ε 0 ≈ 10 - 9 36 π C 2 N - 1 м - 2 ≈ 8,854 187 817 × 10 - 12 C 2 N - 1 м - 2. {\ Displaystyle \ varepsilon _ {0} \ приблизительно {10 ^ {- 9} \ более 36 \ pi} \; \; \ mathrm {C ^ {2} \ N ^ {- 1} \ m ^ {- 2} } \ приблизительно 8,854 \ 187 \ 817 \ times 10 ^ {- 12} \; \; \ mathrm {C ^ {2} \ N ^ {- 1} \ m ^ {- 2}}.}{\ displaystyle \ varepsilon _ {0} \ приблизительно {10 ^ {- 9} \ более 36 \ pi} \; \; \ mathrm {C ^ {2} \ N ^ {- 1} \ m ^ {- 2}} \ приблизительно 8,854 \ 187 \ 817 \ times 10 ^ {- 12} \; \; \ mathrm {C ^ {2} \ N ^ {- 1} \ m ^ {- 2}}. }

Значок SI единицы ε 0 эквивалентны A s кгм, или C N м, или F м. Константа Кулона равна:

k 0 = 1 4 π ε 0 ≈ 8,987 551 787 × 10 9 Н · м 2 C - 2. {\ displaystyle k_ {0} = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ приблизительно 8.987 \ 551 \ 787 \ times 10 ^ {9} \; \; \ mathrm {N \ m ^ {2} \ C} ^ {- 2}.}{\displaystyle k_{0}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\approx 8.987\ 551\ 787\times 10^{9}\;\;\mathrm {N\ m^{2}\ C} ^{-2}.}

Один протон имеет заряд e, а электрон имеет заряд −e, где,

e ≈ 1,602 176 565 × 10-19 С. {\ displaystyle e \ приблизительно 1,602 \ 176 \ 565 \ times 10 ^ {- 19} \; \; \ mathrm {C}.}{\ displaystyle e \ приблизительно 1,602 \ 176 \ 565 \ times 10 ^ {-19} \; \; \ mathrm {C}.}

Эти физические константы (ε0, k 0, e) в настоящее время определены так, что ε 0 и k 0 определены точно, а e - измеряемая величина.

Электрическое поле

Электростатическое поле (линии со стрелками) ближайшего положительного заряда (+) заставляет мобильные заряды в проводящих объектах разделяться из-за электростатической индукции. Отрицательные заряды (синие) притягиваются и перемещаются к поверхности объекта, обращенной к внешнему заряду. Положительные заряды (красный) отталкиваются и перемещаются к поверхности, обращенной в сторону. Эти индуцированные поверхностные заряды имеют точно правильный размер и форму, поэтому их противоположное электрическое поле компенсирует электрическое поле внешнего заряда по всей внутренней части металла. Следовательно, электростатическое поле внутри проводящего объекта равно нулю, а электростатический потенциал постоянен.

Электрическое поле, E → {\ displaystyle {\ vec {E}}}{\vec {E}}, в единицах ньютонов на кулон или вольт на метр, представляет собой векторное поле которое можно определить везде, кроме места расположения точечных зарядов (где он расходится до бесконечности). Он определяется как электростатическая сила F → {\ displaystyle {\ vec {F}} \,}{\ displaystyle {\ vec {F}} \,} в ньютонах на гипотетическом небольшом испытательном заряде в точке, вызванном Закон Кулона, деленный на величину заряда q {\ displaystyle q \,}q \, в кулонах

E → = F → q {\ displaystyle {\ vec {E}} = {{\ vec {F}} \ over q} \,}{\displaystyle {\vec {E}}={{\vec {F}} \over q}\,}

Линии электрического поля полезны для визуализации электрического поля. Полевые линии начинаются с положительного заряда и заканчиваются отрицательным зарядом. Они параллельны направлению электрического поля в каждой точке, и плотность этих силовых линий является мерой величины электрического поля в любой данной точке.

Рассмотрим совокупность N {\ displaystyle N}Nчастиц заряда Q i {\ displaystyle Q_ {i}}Q_{i}, расположенных в точки r → я {\ displaystyle {\ vec {r}} _ {i}}\ vec r_i (называемые точками источника), электрическое поле в r → {\ displaystyle {\ vec { r}}}{\vec {r}}(называемая полевой точкой):

E → (r →) = 1 4 π ε 0 ∑ i = 1 NR ^ i Q i ‖ R → i ‖ 2, { \ Displaystyle {\ vec {E}} ({\ vec {r}}) = {\ гидроразрыва {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ sum _ {i = 1} ^ {N} { \ frac {{\ widehat {\ mathcal {R}}} _ {i} Q_ {i}} {\ left \ | {\ mathcal {\ vec {R}}} _ {i} \ right \ | ^ {2 }}},}{\ displaystyle {\ vec {E}} ({\ vec {r}}) = {\ frac {1} { 4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ sum _ {i = 1} ^ {N} {\ frac {{\ widehat {\ mathcal {R}}} _ {i} Q_ {i}} {\ left \ | {\ mathcal {\ vec {R}}} _ {i} \ right \ | ^ {2}}},}

где R → i = r → - r → i, {\ displaystyle {\ vec {\ mathcal {R}}} _ {i} = {\ vec {r}} - {\ vec {r}} _ {i},}{\displaystyle {\vec {\mathcal {R}}}_{i}={\vec {r}}-{\vec {r}}_{i},}- вектор смещения из исходной точки r → i {\ displaystyle {\ vec {r}} _ {i}}\ vec r_i в точку поля r → {\ displaystyle {\ vec {r}}}{\vec {r}}и R ^ i = R → i / ‖ R → i ‖ {\ displaystyle {\ widehat {\ mathcal {R}}} _ {i} = {\ vec {\ mathcal {R}}} _ {i} / \ left \ | {\ vec {\ mathcal {R}}} _ { i} \ right \ |}\ widehat {\ mathcal R} _ {i} = {\ vec {\ mathcal R}} _ {i} / \ left \ | {\ vec {\ mathcal R}} _ {i} \ right \ | - это единичный вектор, который указывает направление поля. Для одиночного точечного заряда в начале координат величина этого электрического поля равна E = ke Q / R 2, {\ displaystyle E = k_ {e} Q / {\ mathcal {R}} ^ {2}, }E = k_eQ / \ mathcal R ^ 2, и указывает на то, что заряд положительный. Тот факт, что силу (и, следовательно, поле) можно рассчитать путем суммирования всех вкладов от отдельных частиц источника, является примером принципа суперпозиции. Электрическое поле, создаваемое распределением зарядов, задается объемной плотностью заряда ρ (r →) {\ displaystyle \ rho ({\ vec {r}})}\rho ({\vec {r}})и может быть получено преобразованием этой суммы в тройной интеграл :

E → (r →) = 1 4 π ε 0 ∭ r → - r → ′ ‖ r → - r → ′ ‖ 3 ρ (r → ′) d 3 ⁡ r ′ {\ displaystyle {\ vec {E}} ({\ vec {r}}) = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ iiint {\ frac {{\ vec {r}} - {\ vec {r}} \, '} {\ left \ | {\ vec {r}} - {\ vec {r}} \,' \ right \ | ^ { 3}}} \ rho ({\ vec {r}} \, ') \ operatorname {d} ^ {3} r \,'}{\displaystyle {\vec {E}}({\vec {r}})={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\iiint {\frac {{\vec {r}}-{\vec {r}}\,'}{\left\|{\vec {r}}-{\vec {r}}\,'\right\|^{3}}}\rho ({\vec {r}}\,')\operatorname {d} ^{3}r\,'}

Закон Гаусса

Закон Гаусса гласит, что " полный электрический поток через любую замкнутую поверхность в свободном пространстве любой формы, вытянутый в электрическом поле, пропорционален полному электрическому заряду, заключенному на поверхности ». Математически закон Гаусса принимает форму интегрального уравнения:

∮ SE → ⋅ d A → = 1 ε 0 Q заключенный = ∫ V ρ ε 0 ⋅ d 3 ⁡ r, {\ displaystyle \ oint _ {S} { \ vec {E}} \ cdot \ mathrm {d} {\ vec {A}} = {\ frac {1} {\ varepsilon _ {0}}} \, Q_ {enclosed} = \ int _ {V} { \ rho \ over \ varepsilon _ {0}} \ cdot \ operatorname {d} ^ {3} r,}{\ displaystyle \ oint _ {S} {\ vec {E}} \ cdot \ mathrm {d} {\ vec {A}} = {\ frac {1} {\ varepsilon _ {0}}} \, Q_ {enclosed} = \ int _ {V} {\ rho \ over \ varepsilon _ {0}} \ cdot \ operatorname {d} ^ {3} r,}

где d 3 ⁡ r = dxdydz {\ displaystyle \ operatorname {d} ^ {3} r = \ mathrm {d} x \ \ mathrm {d} y \ \ mathrm {d} z}{\displaystyle \operatorname {d} ^{3}r=\mathrm {d} x\ \mathrm {d} y\ \mathrm {d} z}- элемент объема. Если заряд распределен по поверхности или вдоль линии, замените ρ d 3 r {\ displaystyle \ rho \ mathrm {d} ^ {3} r}{\displaystyle \rho \mathrm {d} ^{3}r}на σ d A {\ displaystyle \ sigma \ mathrm {d} A}{\ displaystyle \ sigma \ mathrm {d} A} или λ d ℓ {\ displaystyle \ lambda \ mathrm {d} \ ell}{\displaystyle \lambda \mathrm {d} \ell }. Теорема о расходимости позволяет записать закон Гаусса в дифференциальной форме:

∇ → ⋅ E → = ρ ε 0. {\ displaystyle {\ vec {\ nabla}} \ cdot {\ vec {E}} = {\ rho \ over \ varepsilon _ {0}}.}\ vec {\ nabla} \ cdot \ vec {E} = {\ rho \ over \ varepsilon_0}.

где ∇ → ⋅ {\ displaystyle {\ vec {\ nabla}} \ cdot}\vec{\nabla} \cdot- это оператор дивергенции.

Уравнения Пуассона и Лапласа

Определение электростатического потенциала в сочетании с дифференциальной формой закона Гаусса ( выше), обеспечивает связь между потенциалом Φ и плотностью заряда ρ:

∇ 2 ϕ = - ρ ε 0. {\ displaystyle {\ nabla} ^ {2} \ phi = - {\ rho \ over \ varepsilon _ {0}}.}{\nabla}^2 \phi = - {\rho\over\varepsilon_0}.

Это соотношение является формой уравнения Пуассона. В отсутствие неспаренного электрического заряда уравнение становится уравнением Лапласа :

∇ 2 ϕ = 0, {\ displaystyle {\ nabla} ^ {2} \ phi = 0,}{\nabla}^2 \phi = 0,

Электростатическое приближение

Справедливость электростатического приближения основывается на предположении, что электрическое поле безвихревое :

∇ → × E → = 0. {\ displaystyle {\ vec {\ nabla}} \ times {\ vec { E}} = 0.}\vec{\nabla}\times\vec{E} = 0.

Из закона Фарадея это предположение подразумевает отсутствие или почти полное отсутствие изменяющихся во времени магнитных полей:

∂ B → ∂ t = 0. {\ displaystyle {\ partial {\ vec {B}} \ over \ partial t} = 0.}{\ partial \ vec {B} \ over \ partial t} = 0.

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, 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. Электростатику и магнитостатику можно рассматривать как галилеевы пределы для электромагнетизма.

Электростатический потенциал

Поскольку электрическое поле безвихревое, можно выразить электрическое поле как градиент скалярной функции, ϕ {\ displaystyle \ phi}\phi , называемый электростатическим потенциалом (также известный как напряжение ). Электрическое поле, E {\ displaystyle E}E, указывает от областей с высоким электрическим потенциалом к ​​областям с низким электрическим потенциалом, математически выражаемым как

E → = - ∇ → ϕ. {\ displaystyle {\ vec {E}} = - {\ vec {\ nabla}} \ phi.}\vec{E} = -\vec{\nabla}\phi.

Теорема о градиенте может использоваться, чтобы установить, что электростатический потенциал равен величине работают на единицу заряда, необходимые для перемещения заряда из точки a {\ displaystyle a}aв точку b {\ displaystyle b}b с помощью следующий линейный интеграл :

- ab E → ⋅ d ℓ → = ϕ (b →) - ϕ (a →). {\ displaystyle - \ int _ {a} ^ {b} {{\ vec {E}} \ cdot \ mathrm {d} {\ vec {\ ell}}} = \ phi ({\ vec {b}}) - \ phi ({\ vec {a}}).}-\int_a^b{\vec{E}\cdot \mathrm{d}\vec \ell} = \phi (\vec b) -\phi(\vec a).

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 тестовой частицы, UE single {\ displaystyle U _ {\ mathrm {E}} ^ {\ text { single}}}{\displaystyle U_{\mathrm {E} }^{\text{single}}}, может быть вычислено из линейного интеграла произведения, qn E → ⋅ d ℓ → {\ displaystyle q_ {n} {\ vec {E }} \ cdot \ mathrm {d} {\ vec {\ ell}}}{\ displaystyle q_ {n} {\ vec {E}} \ cdot \ mathrm {d} {\ vec {\ ell}}} . Мы интегрируем из бесконечно удаленной точки и предполагаем набор из N {\ displaystyle N}Nчастиц заряда Q n {\ displaystyle Q_ {n}}Q_{n}, уже находятся в точках r → i {\ displaystyle {\ vec {r}} _ {i}}\ vec r_i . Эта потенциальная энергия (в Джоулях ) равна:

UE single = q ϕ (r →) = q 4 π ε 0 ∑ i = 1 NQ i ‖ R → i ‖ {\ displaystyle U _ {\ mathrm {E}} ^ {\ text {single}} = q \ phi ({\ vec {r}}) = {\ frac {q} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ sum _ {i = 1} ^ {N} {\ frac {Q_ {i}} {\ left \ | {\ mathcal {{\ vec {R}} _ {i}}} \ right \ |}}}{\ displaystyle U_{ \mathrm {E} }^{\text{single}}=q\phi ({\vec {r}})={\frac {q}{4\pi \varepsilon _{0}}}\sum _{i=1}^{N}{\frac {Q_{i}}{\left\|{\mathcal {{\vec {R}}_{i}}}\right\|}}}

где R i → = r → - r → i {\ displaystyle {\ vec {\ mathcal {R_ {i}}}} = {\ vec {r}} - {\ vec {r}} _ {i}}{\ displaystyle {\ vec {\ mathcal {R_ {i}}}} = {\ vec {r}} - {\ vec {r}} _ {i}} - расстояние каждого заряда Q i {\ displaystyle Q_ {i}}Q_{i}от испытательного заряда q {\ displaystyle q}q, который расположен в точке r → {\ displaystyle {\ vec {r}}}{\vec {r}}и ϕ (r →) {\ displaystyle \ phi ( {\ vec {r}})}{\displaystyle \phi ({\vec {r}}) }- это электрический потенциал, который будет при r → {\ displaystyle {\ vec {r}}}{\vec {r}}, если тестовый заряд отсутствовал. Если присутствуют только два заряда, потенциальная энергия равна k e Q 1 Q 2 / r {\ displaystyle k_ {e} Q_ {1} Q_ {2} / r}k_eQ_1Q_2 / r . Общая электрическая потенциальная энергия, связанная с накоплением N зарядов, вычисляется путем сборки этих частиц по одной за раз :

UE total = 1 4 π ε 0 ∑ j = 1 NQ j ∑ i = 1 j - 1 Q irij = 1 2 ∑ i = 1 NQ i ϕ i, {\ displaystyle U _ {\ mathrm {E}} ^ {\ text {total}} = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ sum _ {j = 1} ^ {N} Q_ {j} \ sum _ {i = 1} ^ {j-1} {\ frac {Q_ {i}} {r_ {ij} }} = {\ frac {1} {2}} \ sum _ {i = 1} ^ {N} Q_ {i} \ phi _ {i},}U_\mathrm{E}^{\text{total}} = \frac{1 } {4\pi \varepsilon _0}\sum_{j=1}^N Q_j \sum_{i=1}^{j-1} \frac{Q_i}{r_{ij}}= \frac{1}{2 }\sum_{i=1}^N Q_i\phi_i,

где следующая сумма от, j = 1 до N, исключает i = j:

ϕ i = 1 4 π ε 0 ∑ j = 1 (j ≠ i) NQ jrij. {\ displaystyle \ phi _ {i} = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ sum _ {j = 1 (j \ neq i)} ^ {N} {\ frac { Q_ {j}} {r_ {ij}}}.}{\displaystyle \phi _{i}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\sum _{j=1(j\neq i)}^{N}{\frac {Q_{j}}{r_{ij}}}.}

Этот электрический потенциал, ϕ i {\ displaystyle \ phi _ {i}}\ phi _ {i} - это то, что можно было бы измерить при r → я {\ displaystyle {\ vec {r}} _ {i}}\ vec r_i , если заряд Q i {\ displaystyle Q_ {i}}Q_{i}отсутствовал. Эта формула, очевидно, исключает (бесконечную) энергию, которая потребовалась бы для сборки каждого точечного заряда из дисперсного облака зарядов. Сумму зарядов можно преобразовать в интеграл по плотности заряда, используя рецепт ∑ (⋯) → ∫ (⋯) ρ d 3 r {\ displaystyle \ sum (\ cdots) \ rightarrow \ int (\ cdots) \ rho \ mathrm {d} ^ {3} r}\ sum (\ cdots) \ rightarrow \ int (\ cdots) \ rho \ mathrm d ^ 3r :

UE total = 1 2 ∫ ρ (r →) ϕ (r →) d 3 ⁡ r = ε 0 2 ∫ | E | 2 d 3 ⁡ р {\ Displaystyle U _ {\ mathrm {E}} ^ {\ text {total}} = {\ frac {1} {2}} \ int \ rho ({\ vec {r}}) \ phi ({\ vec {r}}) \ operatorname {d} ^ {3} r = {\ frac {\ varepsilon _ {0}} {2}} \ int \ left | {\ mathbf {E}} \ right | ^ {2} \ operatorname {d} ^ {3} r}{\ displaystyle U _ {\ mathrm {E}} ^ { \ text {total}} = {\ frac {1} {2}} \ int \ rho ({\ vec {r}}) \ phi ({\ vec {r}}) \ operatorname {d} ^ {3} r = {\ frac {\ varepsilon _ {0}} {2}} \ int \ left | {\ mathbf {E}} \ right | ^ {2} \ operatorname {d} ^ {3} r} ,

Это второе выражение для электростатической энергии использует тот факт, что электрическое поле представляет собой отрицательный градиент электрического потенциал, а также тождества векторного исчисления способом, который напоминает интегрирование по частям. Эти два интеграла для энергии электрического поля, кажется, указывают на две взаимоисключающие формулы для плотности электростатической энергии, а именно 1 2 ρ ϕ {\ displaystyle {\ frac {1} {2}} \ rho \ phi}\frac{1}{2}\rho\phiи ε 0 2 E 2 {\ displaystyle {\ frac {\ varepsilon _ {0}} {2}} E ^ {2}}\frac{\varepsilon_0 }{2}E^2; они дают равные значения для полной электростатической энергии только в том случае, если оба интегрированы по всему пространству.

Электростатическое давление

На проводнике поверхностный заряд будет испытывать силу в наличие электрического поля. Эта сила представляет собой среднее значение прерывистого электрического поля у поверхностного заряда. Это среднее значение поля вне поверхности составляет:

P = ε 0 2 E 2 {\ displaystyle P = {\ frac {\ varepsilon _ {0}} {2}} E ^ {2}}{\displaystyle P={\frac {\varepsilon _{0}}{2}}E^{2}},

Это давление имеет тенденцию втягивать проводник в поле, независимо от знака заряда поверхности.

Серия трибоэлектриков

трибоэлектрический эффект - это тип контактной электризации, при котором определенные материалы становятся электрически заряженными, когда они контактируют с другим материалом и затем разделяются. 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 поверхностного заряда дисбаланса означает, что объекты будут проявлять силы притяжения или отталкивания. Этот дисбаланс поверхностных зарядов, который приводит к статическому электричеству, может быть создан путем соприкосновения двух разных поверхностей вместе и последующего разделения их 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 одна на другую. 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, хороши как для создания, так и для удержания поверхностного заряда. Некоторыми примерами этих веществ являются каучук, 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, вырабатывающие очень высокое напряжение при очень слабом токе и используемые 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 системе.

См. Также: Машина Вимшерста и Генератор Ван де Граафа.

Нейтрализация заряда

Естественные электростатические явления наиболее известны как случайные раздражители в сезоны низкой влажности, но может быть разрушительным и вредным в некоторых ситуациях (например, при производстве электроники). При работе в прямом контакте с электроникой интегральных схем (особенно деликатные полевые МОП-транзисторы ). При наличии горючего газа следует соблюдать осторожность, чтобы избежать накопления и внезапного разряда статического заряда (см. Электростатический разряд ).

Электростатическая индукция

Электростатическая индукция, обнаруженная британским ученым Джоном Кантоном в 1753 году и шведским профессором Йоханом Карлом Вилке в 1762 году, представляет собой перераспределение зарядов в объекте, вызванном 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, создание отрицательного заряда на поверхности. Когда электроны выходят из области, 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 пенополистирол, упаковывающий арахис, к статическим зарядам. Поверхностные заряды, индуцируемые в проводящих объектах, точно нейтрализуют внешние электрические поля внутри проводника, поэтому внутри металлического объекта нет электрического поля. Это основа действия 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

Молния над Орадя в Румынии

До 1832 года, когда Майкл Фарадей опубликовал результаты своей В эксперименте по идентичности электричества физики думали, что «статическое электричество» чем-то отличалось от других электрических зарядов. Майкл Фарадей доказал, что электричество, вызванное 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 подошвы 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 автомобильных процессах нанесения покрытий. 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 и затем разделяются, может происходить накопление электрического заряда, при котором 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 горючими 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 50 пСм / м - рекомендованное минимальное значение электропроводности для адекватного удаления заряда из жидкости.

Важным понятием для изоляции жидкостей является время статической релаксации. Это похоже на постоянную времени (тау) в RC-цепи . Для изоляционных материалов это отношение статической диэлектрической постоянной к удельной 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 рассеян через 4-5 раз больше времени 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. Основным компонентом, который появился в это время, является 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: от электрофильтра до электростатического покрытия и струйной печати. Недавно новая технология беспроводной передачи энергии была основана на электростатической индукции между колеблющимися удаленными диполями.

См. Также

Сноски

Ссылки

Дополнительная литература

Очерки
Books

Внешние ссылки

Посмотрите электростатика в Викисловаре, бесплатном словаре.

Учебные материалы, относящиеся к Электростатике на Викиверситет

Последняя правка сделана 2021-05-18 11:39:42
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте