Elektrostatyka to dział fizyki zajmujący się badaniem ładunków elektrycznych, które są w spoczynku. Zajmuje się oddziaływaniami między tymi ładunkami i zjawiskami, które z nich wynikają. Zrozumienie elektrostatyki jest fundamentem do poznawania bardziej zaawansowanych zagadnień związanych z elektrycznością.
Ładunek elektryczny
Ładunek elektryczny to fundamentalna właściwość materii. Decyduje o tym, jak dana cząstka oddziałuje z polem elektromagnetycznym. Rozróżniamy dwa rodzaje ładunków: dodatni (+) i ujemny (-). Ciała naładowane jednoimiennie (np. dwa ładunki dodatnie) odpychają się, a ciała naładowane różnoimiennie (np. ładunek dodatni i ujemny) przyciągają się.
Atom, podstawowy składnik materii, składa się z jądra i elektronów. Jądro zawiera protony (ładunek dodatni) i neutrony (ładunek obojętny). Elektrony (ładunek ujemny) krążą wokół jądra. W normalnych warunkach atom jest elektrycznie obojętny, ponieważ liczba protonów jest równa liczbie elektronów. Jeśli atom traci elektrony, staje się naładowany dodatnio (jon dodatni). Jeśli atom zyskuje elektrony, staje się naładowany ujemnie (jon ujemny).
Jednostką ładunku elektrycznego w układzie SI jest kulomb (C). Ładunek elementarny, czyli ładunek jednego protonu lub jednego elektronu, wynosi około 1,602 × 10⁻¹⁹ C. Jest to bardzo mała wartość, dlatego w praktyce operujemy często z większymi jednostkami, takimi jak mili kulomby (mC) lub mikro kulomby (µC).
Elektryzowanie ciał
Elektryzowanie to proces nadawania ciału ładunku elektrycznego. Istnieją różne sposoby elektryzowania ciał. Najpopularniejsze z nich to elektryzowanie przez tarcie, dotyk i indukcję.
Elektryzowanie przez tarcie polega na pocieraniu dwóch różnych materiałów o siebie. W wyniku tarcia elektrony przechodzą z jednego materiału na drugi. Na przykład, pocierając szklaną pałeczkę o jedwab, pałeczka oddaje elektrony jedwabiu i staje się naładowana dodatnio, a jedwab naładowany ujemnie. Podobnie, pocierając laskę ebonitową o futro, laska pobiera elektrony z futra i staje się naładowana ujemnie, a futro naładowane dodatnio.
Elektryzowanie przez dotyk polega na zetknięciu ciała naładowanego z ciałem obojętnym. Ładunek przepływa z ciała naładowanego do ciała obojętnego, aż do wyrównania potencjałów. Po zetknięciu oba ciała mają ładunek tego samego znaku. Na przykład, jeśli dotkniemy naładowanym dodatnio prętem metalowym do neutralnej kuli, część ładunku dodatniego przepłynie na kulę, przez co kula również stanie się naładowana dodatnio.
Elektryzowanie przez indukcję polega na zbliżeniu ciała naładowanego do ciała obojętnego, bez bezpośredniego kontaktu. W ciele obojętnym następuje przesunięcie ładunków. Na przykład, jeśli zbliżymy naładowany dodatnio pręt do metalowej kuli, elektrony w kuli zostaną przyciągnięte do pręta i przesuną się w jego stronę. W rezultacie, strona kuli bliższa prętowi stanie się naładowana ujemnie, a strona dalsza naładowana dodatnio. Po oddaleniu pręta, ładunki w kuli wracają do równowagi.
Prawo Coulomba
Prawo Coulomba opisuje siłę elektrostatyczną działającą między dwoma punktowymi ładunkami elektrycznymi. Siła ta jest wprost proporcjonalna do iloczynu wartości tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Matematycznie prawo Coulomba można zapisać jako: F = k * |q1 * q2| / r², gdzie F to siła elektrostatyczna, q1 i q2 to wartości ładunków, r to odległość między ładunkami, a k to stała elektrostatyczna (k ≈ 8.99 × 10⁹ N⋅m²/C²).
Z prawa Coulomba wynika, że siła elektrostatyczna jest tym większa, im większe są wartości ładunków i im mniejsza jest odległość między nimi. Siła ta jest siłą przyciągającą, jeśli ładunki mają przeciwne znaki, i siłą odpychającą, jeśli ładunki mają takie same znaki. Prawo Coulomba jest fundamentalne dla zrozumienia wielu zjawisk elektrostatycznych i jest podstawą do obliczania sił oddziaływań między ładunkami.
Pole elektryczne
Pole elektryczne to obszar przestrzeni, w którym na umieszczony w nim ładunek elektryczny działa siła elektrostatyczna. Pole elektryczne wytwarzane jest przez ładunki elektryczne. Można je przedstawić graficznie za pomocą linii sił pola elektrycznego. Linie te pokazują kierunek i natężenie pola elektrycznego.
Natężenie pola elektrycznego (E) to siła, jaka działa na jednostkowy ładunek dodatni umieszczony w danym punkcie pola. Jednostką natężenia pola elektrycznego jest N/C (niuton na kulomb). Natężenie pola elektrycznego wytwarzanego przez ładunek punktowy q w odległości r od tego ładunku wynosi: E = k * |q| / r².
Zastosowania elektrostatyki
Elektrostatyka ma szerokie zastosowania w różnych dziedzinach nauki i techniki. Jednym z przykładów jest elektrostatyczne malowanie proszkowe. W tej technologii naładowane elektrycznie cząstki farby proszkowej są rozpylane na metalowy element, który jest uziemiony. Cząstki farby są przyciągane do elementu i równomiernie go pokrywają. Następnie element jest wygrzewany, co powoduje stopienie i utwardzenie farby.
Innym zastosowaniem jest kserografia. W kserokopiarce naładowany elektrostatycznie bęben pokrywany jest światłem odbitym od dokumentu. Światło rozładowuje te obszary bębna, które odpowiadają białym fragmentom dokumentu. Następnie na bęben nanoszony jest toner, który przylega tylko do naładowanych obszarów. Toner jest przenoszony na papier i utrwalany pod wpływem ciepła.
Elektrostatyka wykorzystywana jest również w odpylaczach elektrostatycznych, które służą do usuwania pyłów i zanieczyszczeń z gazów spalinowych. Gazy te przepuszczane są przez pole elektryczne, w którym cząstki pyłu naładowują się i są przyciągane do elektrod o przeciwnym znaku. W ten sposób pyły są oddzielane od gazów.
Znajomość elektrostatyki jest ważna również w życiu codziennym. Pozwala nam zrozumieć, dlaczego włosy elektryzują się podczas czesania, dlaczego ubrania przyciągają do siebie kurz i dlaczego czasami odczuwamy "kopnięcie" elektrostatyczne po dotknięciu metalowego przedmiotu.
