Elektrostatik - Electrostatics

Artiklar om
Elektromagnetism
Elektricitet Magnetism Historia Läroböcker
Elektrostatik Elektrisk laddning Coulombs lag Dirigent Laddningstäthet Tillstånd Elektrisk dipolmoment Elektriskt fält Elektrisk potential Elektriskt flöde  / potentiell energi Elektrostatisk urladdning Gauss lag Induktion Isolator Polarisationstäthet Statisk elektricitet Triboelektricitet
Magnetostatik Ampères lag Biot – Savart -lagen Gauss lag för magnetism Magnetiskt fält Magnetiskt flöde Magnetiskt dipolmoment Magnetisk permeabilitet Magnetisk skalärpotential Magnetisering Magnetomotiv kraft Magnetisk vektorpotential Högerregel
Elektrodynamik Lorentz tvångslag Elektromagnetisk induktion Faradays lag Lenzs lag Förskjutningsström Maxwells ekvationer Elektromagnetiskt fält Elektromagnetisk puls Elektromagnetisk strålning Maxwell tensor Poynting vektor Liénard – Wiechert potential Jefimenkos ekvationer virvelström London ekvationer Matematiska beskrivningar av det elektromagnetiska fältet
Elnät Växelström Kapacitans Likström Elektrisk ström Elektrolys Strömtäthet Joule uppvärmning Elektromotorisk kraft Impedans Induktans Ohms lag Parallell krets Motstånd Resonanta hålrum Serie krets Spänning Vågledare
Kovariant formulering Elektromagnetisk tensor ( spänning -energitensor ) Fyrström Elektromagnetisk fyrpotential
Forskare Ampere Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Henry Hertz Joule Lenz Lorentz Maxwell Ørsted Ohm Ritchie Savart Sångare Tesla Volta Weber Poisson
v t e

En elektrostatisk effekt: skum jordnötter klamrar sig fast vid kattens päls på grund av statisk elektricitet . Den triboelektriska effekten får en elektrostatisk laddning att byggas upp på pälsytan på grund av kattens rörelser. Laddningens elektriska fält orsakar polarisering av skumets molekyler på grund av elektrostatisk induktion , vilket resulterar i en liten dragning av de lätta plastbitarna till den laddade pälsen. Denna effekt är också orsaken till statisk fasthållning i kläder.

Elektrostatik är en gren av fysiken som studerar elektriska laddningar i vila ( statisk elektricitet ).

Sedan klassisk fysik har det varit känt att vissa material, till exempel bärnsten , lockar till sig lätta partiklar efter gnidning . Det grekiska ordet ἤλεκτρον ( elektron ), (bärnsten) var således källan till ordet " elektricitet ". Elektrostatiska fenomen uppstår från de krafter som elektriska laddningar utövar på varandra. Sådana krafter beskrivs av Coulombs lag . Även om elektrostatiskt inducerade krafter verkar vara ganska svag, vissa elektrostatiska krafter såsom den mellan en elektron och en proton , som tillsammans utgör en väteatom , är ca 36 storleksordningar starkare än den gravitationskraft som verkar mellan dem.

Det finns många exempel på elektrostatiska fenomen, från de som är så enkla som att locka plastfolie till handen efter att det har tagits bort från ett förpackning, till den uppenbarligen spontana explosionen av spannmålssilon, skador på elektroniska komponenter under tillverkning, och kopiator och laser skrivardrift . Elektrostatik innefattar uppbyggnad av laddning på ytan av föremål på grund av kontakt med andra ytor. Även om laddningsutbyte sker när två ytor kommer i kontakt och separeras, märks effekterna av laddningsutbyte vanligtvis bara när minst en av ytorna har ett högt motstånd mot elektrisk flöde, eftersom laddningarna som överförs fångas där under tillräckligt lång tid för deras effekter ska observeras. Dessa laddningar ligger sedan kvar på objektet tills de antingen blöder till marken eller snabbt neutraliseras av en urladdning . Det välkända fenomenet en statisk "chock" orsakas av neutralisering av laddning som byggs upp i kroppen från kontakt med isolerade ytor.

Coulombs lag

Coulombs lag säger att:

'Storleken på den elektrostatiska attraktionskraften eller avstötningen mellan två punktladdningar är direkt proportionell mot produkten av laddningarnas storlek och omvänt proportionell mot kvadratet på avståndet mellan dem.'

Kraften är längs den raka linjen som förenar dem. Om de två laddningarna har samma tecken är den elektrostatiska kraften mellan dem frånstötande; om de har olika tecken är kraften mellan dem attraktiv.

Om är avståndet (i meter ) mellan två laddningar, då är kraften (i newton ) mellan två punktladdningar och (i coulombs ): ${\ displaystyle r}$${\ displaystyle q}$${\ displaystyle Q}$

${\ displaystyle F = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} {\ frac {qQ} {r^{2}}} = k_ {0} {\ frac {qQ} {r ^{2}}} \ ,,}$

där ε ₀ är vakuumpermittivitet , eller permittivitet för ledigt utrymme:

${\ displaystyle \ varepsilon _ {0} \ approx 8.854 \ 187 \ 817 \ times 10^{-12} \; \; \ mathrm {C^{2} \ N^{-1} \ m^{-2} }.}$

De SI enheter av ε ₀ är ekvivalent   A ² s ⁴ kg ^-1 m ^-3 eller C ² N ^-1 m ^-2 eller F m ^-1 . Coulombs konstant är:

${\ displaystyle k_ {0} = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ ca 8.987 \ 551 \ 792 \ gånger 10^{9} \; \; \ mathrm {N \ m ^{2} \ C} ^{-2}.}$

En enda proton har en laddning på e , och elektronen har en laddning på - e , där,

${\ displaystyle e = 1.602 \ 176 \ 634 \ gånger 10^{-19} \; \; \ mathrm {C}.}$

Dessa fysiska konstanter (ε ₀ , k ₀ , e) definieras för närvarande så att e definieras exakt och ε ₀ och k ₀ är uppmätta kvantiteter.

Elektriskt fält

Det elektrostatiska fältet (linjer med pilar) på en närliggande positiv laddning (+) gör att mobila laddningar i ledande objekt separeras på grund av elektrostatisk induktion . Negativa laddningar (blå) dras till och rör sig till ytan på objektet som vetter mot den yttre laddningen. Positiva laddningar (röda) avvisas och rör sig till ytan som vetter bort. Dessa inducerade ytladdningar har exakt rätt storlek och form så att deras motsatta elektriska fält avbryter det elektriska fältet för den yttre laddningen genom hela metallens insida. Därför är det elektrostatiska fältet överallt i ett ledande objekt noll, och den elektrostatiska potentialen är konstant.

Det elektriska fältet , i enheter newton per coulomb eller volt per meter, är ett vektorfält som kan definieras överallt, utom vid punktladdningar (där det avviker till oändlighet). Den definieras som den elektrostatiska kraften i newton på en hypotetisk liten testladdning vid punkten på grund av Coulombs lag , dividerat med laddningens storlek i coulombs ${\ displaystyle {\ vec {E}}}$${\ displaystyle {\ vec {F}} \,}$${\ displaystyle q \,}$

${\ displaystyle {\ vec {E}} = {{\ vec {F}} \ över q}}$

Elektriska fältlinjer är användbara för att visualisera det elektriska fältet. Fältlinjer börjar med positiv laddning och slutar med negativ laddning. De är parallella med det elektriska fältets riktning vid varje punkt, och densiteten för dessa fältlinjer är ett mått på det elektriska fältets storlek vid en given punkt.

Tänk på en samling laddningspartiklar , belägna vid punkter (kallade källpunkter ), det elektriska fältet vid (kallat fältpunkten ) är: ${\ displaystyle N}$${\ displaystyle Q_ {i}}$${\ displaystyle {\ vec {r}} _ {i}}$${\ displaystyle {\ vec {r}}}$

${\ displaystyle {\ vec {E}} ({\ vec {r}}) = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ sum _ {i = 1}^{N} {\ frac {{\ widehat {\ mathcal {R}}} _ {i} Q_ {i}} {\ left \ | {\ mathcal {\ vec {R}}} _ {i} \ right \ |^{ 2}}},}$

var är förskjutningsvektorn från en källpunkt till fältpunkten , och är en enhetsvektor som anger fältets riktning. För en enda punktladdning vid ursprunget är storleken på detta elektriska fält och pekar bort från den laddningen om den är positiv. Det faktum att kraften (och därmed fältet) kan beräknas genom att summera alla bidrag på grund av enskilda källpartiklar är ett exempel på superpositionsprincipen . Det elektriska fältet som produceras genom en fördelning av laddningar ges av volymladdningstätheten och kan erhållas genom att omvandla denna summa till en trippelintegral : ${\ displaystyle {\ vec {\ mathcal {R}}} _ {i} = {\ vec {r}}-{\ vec {r}} _ {i},}$ ${\ displaystyle {\ vec {r}} _ {i}}$ ${\ displaystyle {\ vec {r}}}$${\ displaystyle {\ widehat {\ mathcal {R}}} _ {i} = {\ vec {\ mathcal {R}}} _ {i}/\ left \ | {\ vec {\ mathcal {R}}} _ {i} \ höger \ |}$${\ displaystyle E = k_ {e} Q/{\ mathcal {R}}^{2},}$ ${\ displaystyle \ rho ({\ vec {r}})}$

${\ displaystyle {\ vec {E}} ({\ vec {r}}) = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ iiint {\ frac {{\ vec {r} }-{\ vec {r}} \, '} {\ left \ | {\ vec {r}}-{\ vec {r}} \,' \ right \ |^{3}}} \ rho ({ \ vec {r}} \, ') \, \ mathrm {d} ^{3} r \,'}$

Gauss lag

Gauss lag säger att "det totala elektriska flödet genom vilken sluten yta som helst i fritt utrymme av vilken form som helst som dras i ett elektriskt fält är proportionell mot den totala elektriska laddningen som omsluts av ytan." Matematiskt har Gauss lag formen av en integrerad ekvation:

${\ displaystyle \ oint _ {S} {\ vec {E}} \ cdot \ mathrm {d} {\ vec {A}} = {\ frac {1} {\ varepsilon _ {0}}} \, Q_ { \ text {bifogad}} = \ int _ {V} {\ rho \ over \ varepsilon _ {0}} \ cdot \ mathrm {d} ^{3} r,}$

var är ett volymelement. Om laddningen fördelas över en yta eller längs en linje, ersätt med eller . Den divergens teorem tillåter Gauss lag som ska skrivas i differentialform: ${\ displaystyle \ mathrm {d} ^{3} r = \ mathrm {d} x \ \ mathrm {d} y \ \ mathrm {d} z}$${\ displaystyle \ rho \, \ mathrm {d} ^{3} r}$${\ displaystyle \ sigma \, \ mathrm {d} A}$${\ displaystyle \ lambda \, \ mathrm {d} \ ell}$

${\ displaystyle {\ vec {\ nabla}} \ cdot {\ vec {E}} = {\ rho \ over \ varepsilon _ {0}}.}$

var är divergensoperatören . ${\ displaystyle {\ vec {\ nabla}} \ cdot}$

Poisson och Laplace ekvationer

Definitionen av elektrostatisk potential, i kombination med differentialformen av Gauss lag (ovan), ger ett förhållande mellan potentialen Φ och laddningstätheten ρ:

${\ displaystyle {\ nabla}^{2} \ phi =-{\ rho \ over \ varepsilon _ {0}}.}$

Detta förhållande är en form av Poissons ekvation . I avsaknad av oparad elektrisk laddning blir ekvationen Laplaces ekvation :

${\ displaystyle {\ nabla}^{2} \ phi = 0,}$

Elektrostatisk approximation

Giltigheten av den elektrostatiska approximationen vilar på antagandet att det elektriska fältet är irrotationellt :

${\ displaystyle {\ vec {\ nabla}} \ gånger {\ vec {E}} = 0.}$

Från Faradays lag innebär detta antagande frånvaro eller nästan frånvaro av tidsvarierande magnetfält:

${\ displaystyle {\ partiell {\ vec {B}} \ över \ partiell t} = 0.}$

Med andra ord kräver elektrostatik inte frånvaro av magnetfält eller elektriska strömmar. Snarare om magnetfält eller elektriska strömmar gör existera, de får inte förändras med tiden, eller i värsta fall måste de förändras med tiden endast mycket långsamt . I vissa problem kan både elektrostatik och magnetostatik krävas för exakta förutsägelser, men kopplingen mellan de två kan fortfarande ignoreras. Både elektrostatik och magnetostatik kan ses som galileiska gränser för elektromagnetism.

Elektrostatisk potential

Eftersom det elektriska fältet är irrotationellt är det möjligt att uttrycka det elektriska fältet som gradienten för en skalär funktion , kallad elektrostatisk potential (även känd som spänningen ). Ett elektriskt fält,, pekar från regioner med hög elektrisk potential till regioner med låg elektrisk potential, uttryckt matematiskt som ${\ displaystyle \ phi}$${\ displaystyle E}$

${\ displaystyle {\ vec {E}} =-{\ vec {\ nabla}} \ phi.}$

Den gradient sats kan användas för att fastställa att den elektrostatiska potentialen är mängden arbete per enhet laddning som krävs för att flytta en avgift från punkt till punkt med följande linjeintegral : ${\ displaystyle a}$${\ displaystyle b}$

${\ displaystyle -\ int _ {a}^{b} {{\ vec {E}} \ cdot \ mathrm {d} {\ vec {\ ell}}} = \ phi ({\ vec {b}}) -\ phi ({\ vec {a}}).}$

Från dessa ekvationer ser vi att den elektriska potentialen är konstant i alla regioner för vilka det elektriska fältet försvinner (som förekommer inuti ett ledande föremål).

Elektrostatisk energi

En enda testpartikel är potentiell energi, kan beräknas från en linjeintegral av arbetet, . Vi integrerar från en punkt i oändligheten och antar att en samling av laddningspartiklar är redan belägna vid punkterna . Denna potentiella energi (i Joule ) är: ${\ displaystyle U _ {\ mathrm {E}}^{\ text {enkel}}}$${\ displaystyle q_ {n} {\ vec {E}} \ cdot \ mathrm {d} {\ vec {\ ell}}}$${\ displaystyle N}$${\ displaystyle Q_ {n}}$${\ displaystyle {\ vec {r}} _ {i}}$

${\ displaystyle U _ {\ mathrm {E}}^{\ text {single}} = q \ phi ({\ vec {r}}) = {\ frac {q} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}} } \ sum _ {i = 1}^{N} {\ frac {Q_ {i}} {\ left \ | {\ mathcal {{\ vec {R}} _ {i}}} \ right \ |}} }$

var är avståndet för varje laddning från testladdningen , som ligger vid punkten , och är den elektriska potentialen som skulle vara vid om testladdningen inte var närvarande. Om bara två laddningar är närvarande är den potentiella energin . Den totala elektriska potentiella energin på grund av en samling N -laddningar beräknas genom att montera dessa partiklar en i taget : ${\ displaystyle {\ vec {\ mathcal {R_ {i}}}} = {\ vec {r}}-{\ vec {r}} _ {i}}$${\ displaystyle Q_ {i}}$ ${\ displaystyle q}$${\ displaystyle {\ vec {r}}}$${\ displaystyle \ phi ({\ vec {r}})}$${\ displaystyle {\ vec {r}}}$${\ displaystyle k_ {e} Q_ {1} Q_ {2}/r}$

${\ displaystyle U _ {\ mathrm {E}}^{\ text {total}} = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ sum _ {j = 1}^{N} Q_ {j} \ sum _ {i = 1}^{j-1} {\ frac {Q_ {i}} {r_ {ij}}} = {\ frac {1} {2}} \ sum _ {i = 1}^{N} Q_ {i} \ phi _ {i},}$

där följande summa från, j = 1 till N , utesluter i = j :

${\ displaystyle \ phi _ {i} = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ sum _ {\ stackrel {j = 1} {j \ neq i}}^{N} {\ frac {Q_ {j}} {r_ {ij}}}.}$

Denna elektriska potential är vad man skulle mäta om laddningen saknades. Denna formel utesluter uppenbarligen den (oändliga) energin som skulle krävas för att samla varje punktladdning från ett spritt laddningsmoln. Summan över avgifter kan omvandlas till en integrerad överladdningstäthet med hjälp av receptet : ${\ displaystyle \ phi _ {i}}$${\ displaystyle {\ vec {r}} _ {i}}$${\ displaystyle Q_ {i}}$${\ displaystyle \ sum (\ cdots) \ rightarrow \ int (\ cdots) \ rho \, \ mathrm {d} ^{3} r}$

${\ displaystyle U _ {\ mathrm {E}}^{\ text {total}} = {\ frac {1} {2}} \ int \ rho ({\ vec {r}}) \ phi ({\ vec { r}}) \, \ mathrm {d} ^{3} r = {\ frac {\ varepsilon _ {0}} {2}} \ int \ vänster | {\ mathbf {E}} \ höger | ^{2 } \, \ mathrm {d} ^{3} r,}$

Detta andra uttryck för elektrostatisk energi använder det faktum att det elektriska fältet är den negativa gradienten för den elektriska potentialen, liksom vektorberäkningsidentiteter på ett sätt som liknar integration av delar . Dessa två integraler för elektrisk fältenergi verkar indikera två ömsesidigt uteslutande formler för elektrostatisk energitäthet, nämligen och ; de ger lika värden för den totala elektrostatiska energin endast om båda är integrerade över hela rymden. ${\ displaystyle {\ frac {1} {2}} \ rho \ phi}$${\ displaystyle {\ frac {\ varepsilon _ {0}} {2}} E^{2}}$

Elektrostatiskt tryck

På en ledare kommer en ytladdning att uppleva en kraft i närvaro av ett elektriskt fält . Denna kraft är medelvärdet av det diskontinuerliga elektriska fältet vid ytladdningen. Detta genomsnitt när det gäller fältet strax utanför ytan uppgår till:

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

Detta tryck tenderar att dra ledaren in i fältet, oavsett tecken på ytladdning.

Triboelektriska serier

Den triboelektriska effekten är en typ av kontaktelektrifiering där vissa material blir elektriskt laddade när de bringas i kontakt med ett annat material och sedan separeras. Ett av materialen får en positiv laddning och det andra får en lika negativ laddning. Polariteten och styrkan hos de producerade laddningarna varierar beroende på material, ytråhet, temperatur, töjning och andra egenskaper. Bärnsten kan till exempel förvärva en elektrisk laddning genom friktion med ett material som ull. Denna egenskap, som först spelades in av Thales of Miletus , var det första elektriska fenomenet som undersöktes av människor. Andra exempel på material som kan få en betydande laddning när de gnids ihop inkluderar glas som gnids med siden och hårt gummi som gnids med päls.

Elektrostatiska generatorer

Förekomsten av ytladdningsobalans innebär att föremålen uppvisar attraktiva eller frånstötande krafter. Denna obalans i ytladdningen, som ger statisk elektricitet, kan genereras genom att vidröra två olika ytor tillsammans och sedan separera dem på grund av fenomenen kontaktelektrifiering och den triboelektriska effekten . Gnugga två icke -ledande objekt genererar en stor mängd statisk elektricitet. Detta är inte bara resultatet av friktion; två icke -ledande ytor kan laddas genom att bara placeras ovanpå varandra. Eftersom de flesta ytor har en grov konsistens tar det längre tid att uppnå laddning genom kontakt än genom gnidning. Gnidning av föremål ökar mängden limkontakt mellan de två ytorna. Vanligtvis är isolatorer , dvs. ämnen som inte leder elektricitet, bra på att både generera och hålla en ytladdning. Några exempel på dessa ämnen är gummi , plast , glas och sten . Ledande föremål genererar sällan laddningsobalans, förutom när en metallyta påverkas av fasta eller flytande icke -ledare. Laddningen som överförs under kontaktelektrifiering lagras på ytan av varje objekt. Elektrostatiska generatorer , enheter som producerar mycket hög spänning vid mycket låg ström och används för fysikdemonstrationer i klassrummet, förlitar sig på denna effekt.

Närvaron av elektrisk ström försämrar inte de elektrostatiska krafterna eller gnistan, från koronaflödet eller andra fenomen. Båda fenomenen kan existera samtidigt i samma system.

Se även: Wimshurst -maskin och Van de Graaff -generator .

Laddningsneutralisering

De mest kända naturelektrostatiska fenomenen, som ofta betraktas som en och annan irritation under säsonger med låg luftfuktighet, är statisk elektricitet . Statisk elektricitet är i allmänhet ofarlig, men den kan vara destruktiv och skadlig i vissa situationer (t.ex. elektroniktillverkning). När du arbetar i direktkontakt med integrerad kretselektronik (särskilt känsliga MOSFET ). I närvaro av brandfarlig gas måste man vara noga med att undvika ackumulering och plötsligt urladdning av en statisk laddning (se Elektrostatisk urladdning ).

Elektrostatisk induktion

Elektrostatisk induktion, upptäckt av den brittiske forskaren John Canton 1753 och den svenske professorn Johan Carl Wilcke 1762 är en omfördelning av laddningar i ett föremål som orsakas av det elektriska fältet i en närliggande laddning. Till exempel, om ett positivt laddat föremål bringas nära ett oladdat metallföremål, kommer de negativt laddade elektronerna i metallen att attraheras av den yttre laddningen och flyttas till den sida av metallen som vetter mot den, vilket skapar en negativ laddning på yta. När elektronerna rör sig ut ur ett område lämnar de en positiv laddning på grund av metallatomernas kärnor , så metallföremålets sida som vetter bort från laddningen får en positiv laddning. Dessa inducerade laddningar försvinner när den externa laddningen tas bort. Induktion är också ansvarig för attraktion av lätta föremål, såsom ballonger, pappersrester och skumförpackande jordnötter till statiska laddningar. Ytladdningarna som induceras i ledande föremål avbryter exakt externa elektriska fält inuti ledaren, så det finns inget elektriskt fält inuti ett metallföremål. Detta är grunden för den elektriska fältskärmningen av en Faraday -bur . Eftersom det elektriska fältet är spänningens gradient , är elektrostatisk induktion också ansvarig för att göra den elektriska potentialen ( spänningen ) konstant genom ett ledande föremål.

Statisk elektricitet

Blixtnedslag över Oradea i Rumänien

Före år 1832, när Michael Faraday publicerade resultaten av sitt experiment om identiteten på elektricitet, trodde fysiker att "statisk elektricitet" på något sätt skilde sig från andra elektriska laddningar. Michael Faraday bevisade att den elektricitet som induceras från magneten, voltaisk elektricitet producerad av ett batteri och statisk elektricitet är desamma.

Statisk elektricitet orsakas vanligtvis när vissa material gnids mot varandra, som ull på plast eller skosulor på mattan. Processen gör att elektroner dras från ytan på ett material och flyttas på ytan av det andra materialet.

En statisk chock uppstår när ytan på det andra materialet, negativt laddad med elektroner, berör en positivt laddad ledare eller vice versa.

Statisk elektricitet används vanligtvis inom xerografi , luftfilter och vissa beläggningsprocesser som används vid tillverkning. Statisk elektricitet är en uppbyggnad av elektriska laddningar på två föremål som har separerats från varandra. Små elektriska komponenter kan skadas av statisk elektricitet, och komponenttillverkare använder ett antal antistatiska enheter för att undvika detta.

Statisk elektricitet och kemisk industri

När olika material sammanförs och sedan separeras kan en ackumulering av elektrisk laddning uppstå som lämnar ett material positivt laddat medan det andra blir negativt laddat. Den milda chocken som du får när du rör vid ett jordat föremål efter att ha gått på mattan är ett exempel på överskott av elektrisk laddning som ackumuleras i kroppen från friktionsladdning mellan dina skor och mattan. Den resulterande laddningsuppbyggnaden på din kropp kan generera en stark elektrisk urladdning. Även om det kan vara kul att experimentera med statisk elektricitet, skapar liknande gnistor allvarliga faror i de industrier som hanterar brandfarliga ämnen, där en liten elektrisk gnista kan antända explosiva blandningar med förödande konsekvenser.

En liknande laddningsmekanism kan förekomma i vätskor med låg konduktivitet som strömmar genom rörledningar - en process som kallas flödeselektrifiering. Vätskor som har låg elektrisk konduktivitet (under 50 picosiemens per meter) kallas ackumulatorer. Vätskor med konduktivitet över 50 pS/m kallas icke-ackumulatorer. I icke-ackumulatorer rekombineras laddningar lika snabbt som de separeras och därför är elektrostatisk laddning inte signifikant. I den petrokemiska industrin är 50 pS/m det rekommenderade minimivärdet av elektrisk konduktivitet för adekvat avlägsnande av laddning från en vätska.

Ett viktigt koncept för isolerande vätskor är den statiska avslappningstiden. Detta liknar tidskonstanten (tau) inom en RC -krets . För isolerande material är det förhållandet mellan den statiska dielektriska konstanten dividerat med materialets elektriska konduktivitet. För kolvätevätskor approximeras detta ibland genom att dividera talet 18 med vätskans elektriska konduktivitet. Således kommer en vätska som har en elektrisk konduktivitet på 1 pS/cm (100 pS/m) att ha en uppskattad avkopplingstid på cirka 18 sekunder. Den överflödiga laddningen i en vätska försvinner nästan helt efter 4 till 5 gånger avslappningstiden, eller 90 sekunder för vätskan i exemplet ovan.

Laddningsgenerering ökar vid högre vätskehastigheter och större rördiametrar och blir ganska betydande i rör 8 tum (200 mm) eller större. Statisk laddningsgenerering i dessa system styrs bäst genom att begränsa vätskehastigheten. Den brittiska standarden BS PD CLC/TR 50404: 2003 (tidigare BS-5958-del 2) Uppförandekod för kontroll av oönskad statisk elektricitet föreskriver hastighetsgränser. På grund av dess stora inverkan på dielektrisk konstant bör den rekommenderade hastigheten för kolvätevätskor som innehåller vatten begränsas till 1 m/s.

Limning och jordning är de vanliga sätten att förhindra laddningsuppbyggnad. För vätskor med elektrisk ledningsförmåga under 10 pS/m är bindning och jordning inte tillräcklig för laddning, och antistatiska tillsatser kan krävas.

Tillämpliga standarder

• BS PD CLC/TR 50404: 2003 Uppförandekod för kontroll av oönskad statisk elektricitet
• NFPA 77 (2007) Rekommenderad praxis för statisk elektricitet
• API RP 2003 (1998) Skydd mot tändningar som uppstår på grund av statiska, blixtnedslag och strömmande strömmar

Elektrostatisk induktion i kommersiella tillämpningar

Elektrostatisk induktion användes tidigare för att bygga högspänningsgeneratorer som kallas influensmaskiner . Huvudkomponenten som uppstod under dessa tider är kondensatorn . Elektrostatisk induktion används också för elektromekanisk nederbörd eller projektion. I sådan teknik samlas eller avsätts laddade partiklar av små storlekar avsiktligt på ytor. Applikationerna sträcker sig från elektrostatisk utfällare till elektrostatisk beläggning och bläckstråleskrivare .

Elektrostatiska ställdon har nyligen väckt intresse inom området mjuk robotik . Elektrostatiska ställdon kan användas som kopplingar för bärbara enheter som kan uppvisa mekanisk impedansinställning och förbättrad energieffektivitet. Andra relevanta tillämpningar inkluderar men inte begränsat till multimod hydrauliskt förstärkta elektrostatiska ställdon för bärbar haptik och robotar som drivs av elektrostatiska ställdon.

Se även

• Elektromagnetism
• Elektronnegativitet
• Elektrostatisk urladdning
• Elektrostatisk separator
• Elektrostatisk voltmeter
• Jonisk bindning
• Permittivitet och relativ permittivitet
• Kvantisering av laddning

Fotnoter

Referenser

• Faraday, Michael (1839). Experimentella forskningar inom elektricitet . London: Royal Inst.
• Michael Faraday. Experimentella forskningar om elektricitet, volym 1 på Project Gutenberg
• Halliday, David; Robert Resnick; Kenneth S. Krane (1992). Fysik . New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-80457-6.
• Griffiths, David J. (1999). Introduktion till elektrodynamik . Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 0-13-805326-X.
• Hermann A. Haus; James R. Melcher (1989). Elektromagnetiska fält och energi . Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. ISBN 0-13-249020-X.

Vidare läsning

Uppsatser

• William J. Beaty (1997) " Människor och gnistor: Orsaken, stoppa smärtan och" elektriska människor "

Böcker

• William Cecil Dampier (1905) Theory of Experimental Electricity , Cambridge University Press , (Cambridge Physical Series). xi, 334 sid. illus., diagr. 23 cm. LCCN 05040419 // r33
• William Thomson Kelvin (1872) Omtryck av artiklar om elektrostatik och magnetism Av William Thomson Kelvin , Macmillan
• Alexander McAulay (1893) Utility of Quaternions in Physics , Electrostatics — General Problem . Macmillan
• Alexander Russell (1904) A Treatise on theory of Alternating Strrents , Cambridge University Press, andra upplagan, 1914, volym 1 . Andra upplagan, 1916, volym 2 via Internet Archive

externa länkar

• Media relaterade till elektrostatik på Wikimedia Commons

• The Feynman Lectures on Physics Vol. II kap. 4: Elektrostatik
• Introduktion till elektrostatik: Punktladdningar kan behandlas som en distribution med Dirac delta -funktionen

Inlärningsmaterial relaterat till elektrostatik vid Wikiversity