elektrostatika

elektrostatika (elektro- + -statika), grana fizike koja se bavi istraživanjem polja, sila i pojava nastalih među mirnim česticama nabijenima električnim nabojem.

Povijesni razvoj

Tales iz Mileta (600. pr. Kr.) zabilježio je da jantar (grč. ἤλεϰτρον, ḗlektron), kada se tare, privlači sitne čestice tvari, a William Gilbert otkrio je da i druge tvari, a ne samo jantar, imaju »električno« svojstvo. Pojavu električnoga odbijanja prvi je 1672. opazio Otto von Guericke, a 1663. konstruirao je prvi elektrostatički stroj na trenje. Razliku među vodičima i izolatorima otkrio je Stephen Gray, francuski kemičar Charles François de Cisternay Du Fay utvrdio je 1734. različitost električnoga naboja nastaloga trljanjem stakla od naboja nastaloga trljanjem smole, a Georg Christoph Lichtenberg nazvao je pozitivnim električni naboj nastao trljanjem stakla. Leidenska boca, prvi oblik električnoga kondenzatora, konstruirana je 1745. Oko 1747. Benjamin Franklin zaključio je da se trenjem stvaraju uvijek jednake količine pozitivnog i negativnog električnog naboja. Istraživanjem sila koje djeluju među česticama nabijenima električnim nabojima bavili su se Henry Cavendish i Joseph Priestley, a zakon o ovisnosti privlačne ili odbojne sile o električnim nabojima i udaljenosti među česticama nabijenima električnim nabojima formulirao je 1785. na osnovi pokusa Charles Augustin de Coulomb, pa se po njemu mjerna jedinica električnoga naboja naziva kulon (C). Prema Coulombovu zakonu sila F koja djeluje između dviju točkastih čestica nabijenih električnim nabojima Q i Q′ razmjerna je produktu obaju električnih naboja, a obrnuto razmjerna kvadratu razmaka r između čestica:

F = 1/ε · QQ′/r² .

U faktoru razmjernosti 1/4πε veličina ε je dielektrična permitivnost izolatora postavljenog među česticama nabijenim električnim nabojima. Za vakuum ona je ε0 i naziva se dielektrična permitivnost vakuuma. Najmanju moguću količinu električnoga naboja, elementarni električni naboj, izmjerio je Robert Andrews Millikan (1910).

Elektrostatske veličine

Jakost električnoga polja je vektorska veličina, a kao smjer električnoga polja uzima se onaj smjer u kojem električna sila djeluje sile na čestice nabijene pozitivnim električnim nabojem. Za određivanje je li neko tijelo električki nabijeno koristi se elektroskop. Električno polje može se opisati i skalarnim veličinama, električnim potencijalima φ. Čestice nabijene električnim nabojem mogu pod utjecajem električnih sila obavljati mehanički rad, a to znači da u svakoj točki polja čestice nabijene električnim nabojem Q′ imaju izvjesnu potencijalnu energiju (potencijal) s obzirom na neku referentnu točku u polju kojoj se pripisuje nulti električni potencijal (φ = 0). To je obično vrlo udaljena točka u polju ili Zemlja. Sve točke u električnome polju koje imaju jednak električni potencijal leže na istoj ekvipotencijalnoj plohi.

Za česticu nabijenu električnim nabojem Q električni potencijal neke druge čestice nabijene električnim nabojem na udaljenosti r iznosi φ = 1/ε · Q/r. Budući da je razlika električnih potencijala između dviju točaka u elektrostatskom polju jednaka električnom naponu između tih točaka, to će u elektrostatici, gdje čestice nabijene električnim nabojem miruju, sve točke nekog vodiča biti na istom električnom potencijalu, jer bi inače zbog električnoga napona došlo do njihova gibanja. Iz odnosa Uab = φa – φb proizlazi da se električni potencijal i električni napon mjere istom mjernom jedinicom volt (V), a jakost električnog polja mjeri se u voltima po metru (V/m). Električna potencijalna energija električnoga polja i električni naboj mogu se pohraniti u električnome kondenzatoru Ep = qU/2 ili Ep = q²/2C ili Ep = CU²/2, gdje je C električni kapacitet električnoga kondenzatora. Gustoća električne potencijalne energije električnoga polja ovisi o dielektričnoj permitivnosti sredstva u kojem se električno polje nalazi i kvadratu jakosti električnoga polja w = εE²/2, a gustoća električne potencijalne energije električnoga kondenzatora količnik je ukupne električne potencijalne energije i volumena među pločama kondenzatora V, dakle: w = Ep/V.

Svojstva električnoga vodiča u elektrostatskoj ravnoteži

Električni naboj na izoliranom električnom vodiču raspoređen je po njegovoj površini. Jakost električnoga polja izvan vodiča uvijek je okomita na površinu, a unutar vodiča je jednaka nuli. Nepostojanje električnoga polja unutar vodiča koristi se za elektrostatsku zaštitu s pomoću Faradayeva kaveza. Raspored naboja na površini vodiča ovisi o njegovom obliku. Jakost električnoga polja veća je na mjestima koja su jače zakrivljena. Šiljci, dijelovi vodiča s najvećom jakosti električnoga polja, koriste se za elektriziranje tijela ili za odvođenje električnoga naboja s tijela. Električna influencija je razdvajanje i preraspodjela nosilaca električnih naboja na vodljivom, izvorno neutralnome tijelu koje se nalazi u električnom polju. Statički elektricitet nastaje trenjem kao posljedica razdvajanja pozitivnih i negativnih električnih naboja na nekom tijelu (→ van de graaffov generator).

elektrostatika. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 21.4.2019. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=17670>.