Elektrostaatika

Elektrostaatika on füüsika haru, mis uurib inertsiaalse taustsüsteemi suhtes paigalseisvate elektriliselt laetud osakeste ja kehade elektrilise vastastikmõju ja tasakaalu tingimusi.

Elektrostaatika põhiülesanne on elektrivälja kuju leidmine laengute, juhtide, dielektrikute ja muude laetud kehade etteantud paigutuse järgi. Elektrivälja kuju järgi on võimalik arvutada ka laengutele mõjuvaid jõude. Elektrivälja kuju arvutamise üks põhivõrrandeid on Poissoni võrrand.

Elektrostaatika nähtused põhinevad jõududelt, mida elektrilaengud vastastikku avaldavad. Neid jõude kirjeldab Coulomb'i seadus (1785), millele 19. sajandi esimesel poolel lisandus vajalik matemaatiline teooria.

Ajaloost

Juba iidsetel aegadel oli teada, et mõned materjalid, nagu näiteks merevaik, tõmbavad pärast riide või karusnahaga hõõrumist ligi väikseid kergeid osakesi (vt Staatiline elekter). William Gilbert jätkas Petrus Peregrinuse 13. sajandist pärit tööd ja leidis, et hõõrumise teel saab samasugust efekti saavutada ka teisi materjale kasutades ning töötas välja varajase elektroskoobi mudeli. Oma 1600. aastal ilmunud raamatus „De Magnete, Magnetisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure“ (Magnetist, magnetilistest kehadest ja suurest magnetist Maa) võttis ta kasutusele merevaiguga seotud nähtuste kohta uusladinakeelse termini electrica,(merevaik on ladina keeles electron).

Ülevaade

Jõud, mida laeng Q objektile avaldab, on võrdeline objekti laenguga q. Seega saab seda kirjeldada valemiga $F=q\cdot E$, kus E on laenguga Q kaasneva elektrivälja tugevus.

Väline staatiline elektriväli mõjub elektrijuhtidele ja dielektrikutele erinevalt. Vabad elektrilaengud juhtides, nt elektronid metallides, paiknevad makroskoopiliselt ümber nii, et elektriväli kaob kogu juhi sisemuses (vt Faraday puur). See nähtus põhineb elektrostaatilisel induktsioonil. Isoleerainetes reageerivad seotud laengud, s.t aatomite elektronid ja aatomituumad, väljale lokaalselt (mikroskoopiliselt) vastastikuse nihkega, mille käigus aine polariseerub.

Jõud F, mida elektrostaatiline väli tugevusega E avaldab proovilaengule (idealiseeritud elektriliselt laetud punktikujulisele proovikehale) q, on konservatiivne jõud. See tähendab, et proovilaengu potentsiaalne energia W elektrostaatilises väljas sõltub ainult proovilaengu asendi muutusest, mitte aga teekonnast, mida mööda proovilaeng viidi ühest punktist teise. See tähendab ka seda, et elektrostaatilist välja saab esitada elektrilise potentsiaali $\phi$ gradiendina. Proovilaengu potentsiaalne energia on seega $W=q\cdot \phi$. Kahe elektripotentsiaali erinevust väljendav füüsikaline suurus on elektripinge. Elektrivälja kadumine $E=0$ on samaväärne ruumiliselt konstantse elektripotentsiaaliga $\phi$ = const.

Staatiliste laengute esinemine, tekitamine, rakendused

Esinemine looduses ja igapäevaelus:

• äikesepilved;
• Maa elektrostaatiline väli;
• hõõrdeelekter.

Kõrgepinge tekitamine staatiliste laengute tülekandmise teel (teaduses, õppetöös):

• elektrostaatiline masin
• Van de Graaffi generaator

Rakendusi:

• elektrostaatiline filter;
• elektrostaatiline aerosoolvärvimine;
• elektrostaatiline pulbervärvimine
• kserograafia

Vaata ka

• Elektromagnetism
• Staatiline elekter
• Elektrostaatiline väli
• Magnetostaatika