Elektrostaatika – määratlus, nähtused ja praktilised näited

Elektrostaatika (tuntud ka kui staatiline elekter) on füüsika haru, mis tegeleb näiliselt paigalolevate elektrilaengutega.

Elektrostaatika hõlmab laengu kogunemist esemete pinnale, mis tekib kokkupuutel teiste pindadega.

Kuigi laenguvahetus toimub alati, kui kaks pinda puutuvad kokku ja eralduvad, on laenguvahetuse mõju tavaliselt märgatav ainult siis, kui vähemalt ühel pinnal on suur elektrivoolutakistus. See on tingitud sellest, et suure takistusega pinnale või pinnalt üle kanduvad laengud jäävad sinna enam-vähem lõksu piisavalt pikaks ajaks, et nende mõju oleks võimalik täheldada.

Need laengud jäävad seejärel esemele, kuni need kas valguvad maapinnale või neutraliseeritakse kiiresti tühjenemise teel: nt tuttav staatilise "šoki" nähtus on põhjustatud kehasse kogunenud laengu neutraliseerimisest, mis tekib kokkupuutel mittejuhtivate pindadega.

Kuidas elektrostaatika tekib ja millest see koosneb

Elektrostaatika põhineb kahte tüüpi elementaarsel laengul: positiivne (puudus elektronidest, peamiselt seotud prootonitega aatomituumas) ja negatiivne (ülejääk elektrone). Laengud tekivad ja liiguvad läbi materjali peamiselt elektronide liikumise teel.

Tavapäraselt on kaks olulist nähtust:

• Laengu ülekandumine: juhtide ja isoleerivate materjalide vahel — näiteks hõõrumisel (triboelektriline efekt) satuvad elektronid ühest esemest teise.
• Punnimine ja tõmbumine: vastasmärgilised laengud tõmbuvad kokku, samamärgilised tõukuvad. Seda kirjeldab ka Coulomb'i seadus: jõud on võrdeline laengute suuruste korrutisega ja pöördvõrdeline laenguvahe ruuduga.

Laaneda ja elektriväli

Laeng tekitab enda ümber elektrivälja, mis mõjutab teisi laenguid. Elektrivälja tugevus annab teada, kui tugevalt ja millises suunas mõjutatakse teist laengut. Elektripotentsiaal (voolumärgatud pinge) kirjeldab töö hulk, mida tuleb teha laengu toomiseks ühelt punktilt teisele.

Gaussi seadus on elektrostaatikas tähtis: laengute summa suletud pinnal on seotud läbi selle pinna mõjule kuuluva elektrivoo. See on kasulik näiteks väljajaotuse ja juhtide käitumise analüüsimiseks.

Juhtide ja isolatsioonide roll

Materjalid jagunevad elektrostaatikas kahte rühma:

• Juhtivad materjalid: metallid ja mõned vedelikud, kus elektronid liiguvad vabalt ning laeng hakkab kiiresti ümber jaotuma või maapinna kaudu kanduma.
• Mittejuhtivad (isolandid): plastid, kumm, riie jmt, kus elektronid püsivad enamasti kindlal pinnal ja laeng võib sinna jääda pikaks ajaks — seetõttu toimub staatiline elekter sageli isolatsioonidel.

Kuidas esemeid saab laenguga laadida

• Hõõrumine (triboelektriline laadimine): kaks materjali hõõruvad üksteise vastu ja elektronid liiguvad ühelt teisele (näide: ballooni hõõrumine juustel või juuste vastu).
• Kontaktlaadimine (conduction): laeng liigub otsesel kokkupuutel juhtiva esemega.
• Induktsioon: laengute ümberjaotus sõltumata otsesest kontaktist — näiteks kui laetud ese asetub juhtiva objekti lähedusse, tekivad selles eraldi piirkondade laengud. Maandamise abil saab objekti järel neutraliseerida.

Näited ja praktilised rakendused

• Balloon, mis kleepub seinale pärast hõõrumist juustel või juustel — lihtne näide staatilisest laengust.
• Juuste „tõusmine“ kammi läheduses või riiete plaksumine väljapooled hetkedel, kui õhk on kuiv.
• Fotokopeerimismasinad ja laserprinterid kasutavad elektrostaatikat pildi loomiseks ja värvi kandmiseks paberile.
• Elektrostaadilised filtrid (saasteainete eemaldajad) eemaldavad tahked osakesed suitsugaasist, laadides osakesed ja püüdes need vastasmärgilise elektroodi külge.
• Van de Graaffi generaatorid näitavad suurt staatilist laengut ja kasutatakse hariduslikult või laborites kõrgepinge tootmiseks.
• Äike on suurte laengute korral massiline elektrostaatiline nähtus – äikesepilvedes tekivad suured laengu-jaotused ja lõpuks välgukahane väljalangemine maandub.

Ohutus ja ennetus

Kuigi tavalised staatilised „šokid“ on sagedasti vaid ebamugavad, võivad elektrostaatilised välgud ja sädemeid põhjustavad tühjenemised olla ohtlikud tuleohtlikes tingimustes või elektroonikaseadmete jaoks. Peamised soovitused:

• Õhutada ruume ja hoida niiskustaset (kuiv õhk soodustab staatilist laengut).
• Kasutada maandusribasid, antistaatilisi mattideid ja randmerihmasid elektroonika- või põletusohuga töödel.
• Enne kütuse tankimist ioniseerivad või maandavad tegevused — puudutada metallosa, et neutraliseerida laeng enne tankimist.
• Tundlike elektroonikakomponentide käitlemisel kasutada antistaatilist pakendit ja tööriistu.

Mõõtmine ja ühikud

Laengut mõõdetakse üksuses kulomb (C). Väga väikeste staatiliste laengute mõõtmiseks kasutatakse elektroskoope, elektromeetreid ja Faraday karpe, mis võimaldavad hinnata ja neutraliseerida laenguid kontrollitult.

Kokkuvõte

Elektrostaatika kirjeldab laengute käitumist ja nende mõju ilma pideva vooluta. See hõlmab nii igapäevaseid nähtusi (balloonid, riideplaksatused) kui ka laiaulatuslikke ja tehnoloogilisi rakendusi (printerid, jõuvaakumid, saastefiltrid). Õigete meetmete abil saab staatilist elektrit mõista, mõõta ja vajadusel ohutult kontrollida.

Küsimused ja vastused

K: Mis on elektrostaatika?

K: Mis põhjustab elektrostaatikas objektide pinnale laengu kogunemist?

K: Millal on laenguvahetuse mõju tavaliselt elektrostaatikas märgatav?

K: Miks on elektrostaatika puhul laengud, mis kanduvad üle suure takistusega pindadele või pindadelt, märgatavamad?

K: Mis juhtub laengutega, mis jäävad elektrostaatikas objektile?

K: Millest tuleneb elektrostaatikas tuntud nähtus staatiline "löök"?

K: Millal toimub elektrostaatikas laenguvahetus?

Otsing