Elektriğin temel gerçeği, bir atomdaki her proton ve elektronun elektrik yükü adı verilen benzersiz, hayran bırakan bir özelliğe sahip olmasıdır. Protonların ve elektronların bu elektrik yüküne sahip olma özelliği, aralarında gizemli kuvvetlerin ortaya çıkmasına neden olur, elektrik kuvvetleri.
Elektronları cisimler arasında aktarmak, elektrostatik ve statik elektrik adı verilen tanıdık bir elektrik olgusu yaratır.
Statik Elektrik Nedir?
Statik elektrik veya elektrostatik, duran veya minimum hızda hareket eden iki yüklü parçacık arasındaki etkileşimi inceler. Atomlardaki protonlar ve elektronlar bir elektrik yüküne, daha spesifik olarak bir elektrostatik yüke sahiptir. 19. yüzyılda atom fiziği, protonlar için pozitif yük ve elektronlar için negatif yük belirledi.
Yüklü parçacıkların ilgi çekici bir özelliği, benzer yüklerin birbirini itmesi ve farklı yüklerin birbirini çekmesi ve birbirlerine kuvvet uygulamasıdır. Şekil 2, bu ifadenin bir gösterimidir.
Protonlar ve elektronlar aynı miktarda yüke sahiptir ve yakın olduklarında birbirlerinin yükünü sıfırlayarak kombinasyonlarını elektriksel olarak nötr hale getirirler. Bir kuvvet alanı, yüklü bir parçacığın etrafındaki uzaya uzanır, ancak nötr bir malzeme elektrostatik kuvvet uygulamaz.
Çoğu cisim, eşit miktarda pozitif ve negatif yüklerden oluşur, böylece herhangi iki makroskopik cisim arasındaki net elektriksel etkileşim küçük veya sıfır olur. Bu nedenle, elektrostatik kuvvetleri gözden kaçırırız, ancak statik elektrik üretirken onları fark ederiz, çünkü elektrik yükünün varlığı, yüklü cisimler arasında kuvvetler üretir.
1767’de Joseph Priestley, Elektrostatiğin Ters Kare Yasası olarak bilinen temel fizik yasalarından birini yayınladı. Bu yasa, pozitif ve negatif yüklerin birbirlerine nasıl kuvvet uyguladığını açıklar. Priestley, iki yüklü parçacık arasındaki kuvvetin, yükleriyle ve ayrılmalarının karesinin tersiyle orantılı olduğunu buldu. Bu yasa, yalnızca boyutları mesafeye kıyasla küçük olan yüklü cisimler için geçerlidir.
1785’te Fransız mühendis ve fizikçi Charles-Augustin de Coulomb ters kare bağımlılığı doğrudan ölçtü – Priestley’in keşfinden 18 yıl sonra. Günümüzde yasa, Coulomb yasası olarak bilinir.
Şarj Mekanizması
Aşağıdaki üç işlem bir nesneyi şarj edebilir:
- Triboelektrifikasyon
- İndüksiyon
- İletim
Triboelektrifikasyon Süreci
Triboelektrifikasyon işlemi, iki farklı nesne temas ettirildiğinde veya birbirine sürtüldüğünde yükler üretir. Triboelektrik serisi, bir malzeme, serideki herhangi bir alt malzemeyle temas ettiğinde pozitif bir yük geliştirecek şekilde düzenlenmiş bir malzeme listesidir. Tablo 1 tipik bir triboelektrik serisini göstermektedir.
Tablo 1. Tipik Triboelektrik Seriler
|POZİTİF|
|Pleksiglas|
|Bakalit|
|Selüloz Nitrat|
|Bardak|
|Kuvars|
|Naylon|
|Yün|
|İpek|
|Pamuk|
|Kağıt|
|Kehribar|
|Reçineler|
|Metaller|
|Silgi|
|Asetat suni ipek|
|Dakron|
|Orlon|
|Polistiren|
|Teflon|
|Selüloz nitrat|
|Polivinil klorür|
|NEGATİF|
Temas ve ayırma yoluyla şarj mekanizmasını anlamak çok önemlidir. Birbirinden farklı malzemelerden oluşan iki gövde (10 nm’den daha küçük bir mesafede) temas ettiğinde, elektronlar temas yüzeyi boyunca bir gövdeden diğerine kayabilir.
Vücutlar aniden ayrılırsa, ebeveynler iyi iletken olduğunda elektronlar ana maddelerine geri döner. Bununla birlikte, ana maddelerden biri veya her ikisi de yalıtkan ise elektronlar geri dönemez ve elektronları göç ettikleri malzemenin yüzeyinde hapsolmuş halde bırakır. Daha sonra, elektronların eksikliğine veya fazlalığına bağlı olarak yüzeyler pozitif veya negatif bir yük alır. Geleneksel olarak, elektron eksikliği, pozitif kutuplu bir bölgeyi gösterir ve elektron fazlalığı, bir negatif kutuplu alana neden olur.
Yük miktarı, sabit veya hareket halinde olmalarına bakılmaksızın temas alanına bağlıdır. Hareket halindeyken sürtünme, temas alanını ve yük miktarını arttırır.
Bazen, toz veya beklenmedik iyonlar gibi safsızlıkların varlığında aynı malzemeler bir yük oluşturabilir. Bu, temas halindeki yüzeyler farklı alanlara sahip olduğunda da olabilir.
Statik elektrik üretmenin bilinen bir yolu saçları taramaktır. Kuru bir ortamda plastik veya lastik taraklarla saçı tararken tarak bazı saç tellerini kendine çeker ve taranan saç telleri kafadan dışarı çıkmaya çalışırken kendilerini iter. Bu çekim ve itme elektrostatik kuvvetlerden kaynaklanmaktadır.
Saçı tararken, saç yüzeyindeki elektronlar tarak yüzeyine yer değiştirir. Tarak yüzeyinde elektron fazlalığı vardır ve negatif yüklenirken, saç telleri elektron sıkıntısı çeker ve pozitif yüklü hale gelir. Bu nedenle tarak ve saç birbirini çekerken saç telleri birbirini iter. Tarak ve saç statik elektrik aldı.
Endüktif Süreç
Endüktif süreç, bir elektrik alanı varlığında yükler üretir. Elektrik alanları yakındaki iletken nesnelerin yüzeylerinde yükler oluşturur. Yüksüz iletken nesneler, birbirine bağlı olarak aynı miktarda pozitif ve negatif yüke sahiptir. Bu yükler, harici bir elektrik alanından etkilendiğinde kısmen düzensiz olabilir.
Şekil 3, metalik bir gövdeye yakın negatif yüklü bir plastik çubuğu göstermektedir. Çubuk metaldeki elektronları iter, böylece çubuğa bakan taraf pozitif bir yük biriktirir ve karşı taraf elektrik indüksiyonu nedeniyle negatif bir yük alır. Plastik çubuğu çıkardıktan sonra metal nötr durumuna geri döner.
İletken Süreç
İletken süreçte, nötr bir nesne, yüklü bir nesneyle temas ettiğinde şarj olur. Elektrikli bir kehribar çubukla bir mantar topuna dokunursak, mantar top elektriklenir.
Elektrostatik Temellerini Gözden Geçirme
- Elektrostatik yük, bir nesnenin yüzeyindeki elektron fazlalığını veya eksikliğini belirtir.
- Elektrik yükleri birbirlerine kuvvet uygular. Yüklerin aksine, yükler çeker ve benzer yükler iter. Tipik bir atomun nötr yükü vardır.
- Bir cismi şarj etmenin ana süreçleri, triboelektrifikasyon süreci, endüktif süreç ve iletken süreçtir.
- Triboelektrifikasyon işleminde, iki farklı maddeyle temas veya sürtünme sırasında yüzeyler arasında elektronların aktarılmasıyla elektrostatik yük üretilir.
- Endüktif süreçte, bir elektrik alanı varlığında elektrostatik yük üretilir.
- İletken süreçte, yüklü bir nesneyle temastan elektrostatik yük üretilir.