Elektrostatika

Papirne trakice privučene od strane naelektrisanog CD-a

Elektrostatika je grana fizike koja se bavi pojavama i svojstvima stacionarnih ili sporih električnih naboja bez ubrzanja.

Iz klasične fizike, poznato je da neki materijali kao što je ćilibar privlače lagane čestice nakon trljanja. Grčka riječ za ćilibar, (grčki: ήλεκτρον, electron), je izvor riječi "elektricitet". Elektrostatičke pojave proizilaze iz sila kojim električni naboji međudjeluju jedni sa drugima. Takve sile su opisane Coulombovim zakonom. Iako se elektrostatički indukovane sile čine prlično slabim, elektrostatička sila između npr. jednog elektrona i protona, koji zajedno čine atom vodika, je oko 36 redova veličine jača od gravitacione sile koja djeluje među njima.

Postoje mnogi primjeri elektrostatičkih pojava, od onih jednostavnih kao što je privlačenje plastične folije i vaše ruke kada je izvadite iz kutije, privlačenje papira i naelektrisanih objekata, pa do naizgled spontane eksplozije silosa, oštećenje elektronskih komponenti tokom procesa proizvodnje, kao i rad fotokopir aparata. Elektrostatika uključuje i nagomilavanje naboja na površi predmeta kao posljedica kontakta sa drugim površima. Iako se razmjena naelektrisanja dešava kad god su bilo koje dvije površine u kontaktu ili odvojene, efekti razmjene naelektrisanja obično su primjetni kada barem jedna od površi ima visok otpor električnom protoku. To je zato što naboji koji prenose u ili iz veoma otporne površine su više ili manje zarobljeni tamo dovoljno dugo vremena da bi se njihovo dejstvo moglo promatrati. Ovi naboji tada ostaju na objektu dok oni ili nestanu u tlo ili su brzo neutralizovani od strane pražnjenja: npr., poznata pojava statičkog 'šoka' je uzrokovana neutralizacijom naelektrisanja nagomilanih u tijelu iz kontakta sa izoliranim površinama.

Kulonov zakon

Glavni članak: Kulonov zakon

Počinje se sa jačinom elektrostatičke sile (u newtonima) između dva tačkasta naboja $q$ i $Q$ (u kulonima). Pogodno je označiti jedan od ovih naboja, $q$, kao testni naboj, i $Q$ nazvati izvornim nabojem. Dok se teorija razvija, dodat će se još izvornih naboja. Ako je $r$ udaljenost (u metrima) između dva naboja, onda je sila:

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

gdje je ε₀ dielektrična konstanta vakuuma, ili dielekrična konstanta praznog prosora:

$\varepsilon _{0}={10^{-9} \over 36\pi }\;\;\mathrm {C^{2}\ N^{-1}\ m^{-2}} \approx 8.854\ 187\ 817\times 10^{-12}\;\;\mathrm {C^{2}\ N^{-1}\ m^{-2}} .$

SI jedinica za ε₀ je jednaka  A²s⁴ kg⁻¹m⁻³ ili C²N⁻¹m⁻² ili F m⁻¹. Kulonova konstanta je:

$k_{e}\approx {\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\approx 8.987\ 551\ 787\times 10^{9}\;\;\mathrm {N\ m^{2}\ C} ^{-2}.$

Upotreba ε₀ umjesto k₀ u izražavanju Kulonovog zakona odnosi se na činjenicu da je sila obrnuto proporcionalna površini sfere radijusa koji je jednak udaljenosti između dva naboja.

Jedan proton ima naelektrisanje e, i elektron ima naelektrisanje −e, gdje je,

$e\approx 1.602\ 176\ 565\times 10^{-19}\;\;\mathrm {C} .$

Ove fizikalne konstante (ε₀, k₀, e) su opisane tako da su ε₀ i k₀ tačno definisane, i e je izmjerena veličina.