Electroestàtica

Trossets de porexpan que s'enganxen a la pell d'un gat a causa de l'electricitat estàtica. El camp elèctric de la pell carregada provoca la polarització de les molècules de l'escuma a causa de la inducció electroestàtica, donant lloc a una lleugera atracció de les peces lleugeres de plàstic cap a la pell. Aquest efecte també és la causa de l'adherència estàtica a la roba.

L'electroestàtica és la branca de la física que estudia els fenòmens elèctrics produïts per distribucions de càrregues estàtiques (és a dir, que no canvien al llarg del temps). Des de l'antiguitat clàssica se sabia que alguns materials com l'ambre atreuen petites partícules després de fregar-los. El nom grec per l'ambre és, ήλεκτρον (electró), i és la font de la paraula "electricitat" i "electroestàtica". L'electroestàtica estudia les forces elèctriques produïdes per distribucions de càrregues a través de conceptes tals com el camp elèctric i el potencial elèctric i de lleis físiques com la llei de Coulomb. Històricament l'electroestàtica va ser la branca de l'electromagnetisme que es va desenvolupar primer. Posteriorment, les lleis de Maxwell van permetre mostrar com les lleis de l'electroestàtica i les lleis que governaven els fenòmens magnètics podien ser estudiades en el mateix marc teòric, l'electromagnetisme.

L'electroestàtica comprèn l'estudi de l'acumulació de càrrega en objectes deguda al contacte entre (generalment) superfícies no conductores. Aquestes càrregues s'acumulen durant el flux d'electrons d'un objecte cap a l'altre. Les càrregues es mantenen a l'objecte fins que una força provoca l'equilibri de les càrregues, com per exemple en el conegut fenomen de descàrrega d'electricitat estàtica causat per la neutralització de l'acumulació de càrrega en cos pel contacte amb una superfície no conductora.

Per analitzar els fenòmens electroestàtics es pot partir de les equacions de Maxwell i fer zero tots els termes que depenen del temps (condició estàtica) o bé partir de la llei experimental bàsica, la llei de Coulomb, que és l'aproximació que farem servir en aquest article.

L'aproximació electroestàtica

La validesa de l'aproximació electroestàtica es basa en l'assumpció de què el camp elèctric és irrotacional:

$\mathbf {\nabla } \times \mathbf {E} =0$

Tenint en consideració la llei de Faraday sobre la inducció, aquella assumpció implica l'absència o la gairebé absència de variació dels camps magnètics amb el temps:

${\partial \mathbf {B} \over \partial t}=0$

En altres paraules, l'electroestàtica no requereix l'absència de camps magnètics o corrents elèctrics. Però si existeixen camps magnètics o corrents elèctrics, no han de canviar al llarg del temps, o en el pitjor dels casos, han de canviar molt a poc a poc al llarg del temps. En alguns problemes, caldrà tenir en consideració tant aspectes electroestàtics com magnetoestàtics per tal de poder fer prediccions precises, però les interaccions entre ells encara poden ser ignorades.

Potencial electroestàtic

Com que el camp elèctric és irrotacional, és possible expressar-lo com un gradient d'una funció escalar anomenada potencial electroestàtic o voltatge. Així, el potencial electroestàtic Φ està relacionat amb el camp elèctric $E$ per mitjà de l'equació:

$\mathbf {E} =-\mathbf {\nabla } \phi$

Conceptes fonamentals

El camp electroestàtic (línies amb fletxes) d'una càrrega positiva propera (+) fa que les càrregues mòbils dels objectes conductors se separin a causa de la inducció electroestàtica. Les càrregues negatives (blaves) són atretes i es mouen a la superfície de l'objecte enfront de la càrrega externa. Les càrregues positives (vermelles) es repel·leixen i es mouen cap a la superfície mirant cap enrere. Aquestes càrregues superficials induïdes tenen exactament la mida i la forma adequades, de manera que el seu camp elèctric oposat cancel·la el camp elèctric de la càrrega externa a tot l'interior del metall. Per tant, el camp electroestàtic a tot arreu dins d'un objecte conductor és zero i el potencial electroestàtic és constant.

La llei de Coulomb

L'equació fonamental de l'electroestàtica és la llei de Coulomb, que descriu la força entre dues càrregues puntuals $Q_{1}$ i $Q_{2}$:

$\mathbf {F} ={\frac {Q_{1}Q_{2}}{4\pi \varepsilon _{o}r^{2}}}{\hat {r}}$

El camp elèctric

El camp elèctric (en unitats de volts per metre) es defineix com la força (en newtons) per unitat de càrrega (en coulombs). D'aquesta definició i de la llei de Coulomb, se'n desprèn que la magnitud d'un camp elèctric E creat per una càrrega puntual Q és:

$\mathbf {E} ={\frac {Q}{4\pi \varepsilon _{o}r^{2}}}{\hat {r}}$

La llei de Gauss

La llei de Gauss estableix que el flux elèctric total a través d'una superfície tancada és proporcional a la càrrega elèctrica total tancada a la superfície. La constant de proporcionalitat és la permitivitat del buit.

Matemàticament, la llei de Gauss pren la forma d'una equació integral:

$\oint _{S}\ \mathbf {E} \cdot \mathrm {d} \mathbf {A} =\int _{V}\rho \cdot \mathrm {d} V$

Alternativament, en forma diferencial, l'equació esdevé

$\mathbf {\nabla } \cdot \varepsilon _{o}\mathbf {E} =\rho$

L'equació de Poisson

La definició del potencial electroestàtic, combinada amb la forma diferencial de la llei de Gauss, proveeix una relació entre el potencial Φ i la densitat de càrrega ρ:

${\nabla }^{2}\phi =-{\rho \over \varepsilon _{o}}$

Aquesta relació és una forma de l'equació de Poisson.

Equació de Laplace

En absència de càrregues elèctriques desaparellades, l'equació esdevé

${\nabla }^{2}\phi =0$

que és l'equació de Laplace.

L'efecte triboelèctric

L'efecte triboelèctric és un tipus d'electrificació per contacte pel qual alguns materials resten carregats elèctricament quan entren en contacte amb un altre material diferent i són separats. La polaritat i la força de les càrregues produïdes varia segons els materials, rugositat de la superfície, temperatura, deformació i altres propietats. Per tant no és massa predictible, i només es poden fer grans generalitzacions. L'ambre, per exemple, pot carregar-se elèctricament per fricció amb un material com la llana. Aquesta propietat, que va ser observada per Tales de Milet, va suggerir el mot "electricitat" a partir del nom grec de l'ambre, ēlektron. Altres exemples de materials que poden adquirir una càrrega significativa per efecte del fregament inclou el vidre friccionat amb seda i l'ebonita friccionada amb pèls.

Generadors electroestàtics

La presència d'una càrrega superficial desequilibrada significa que els objectes presentaran forces atractives o repulsives. Aquesta càrrega superficial desequilibrada, que comporta electricitat estàtica, pot ser generada posant en contacte dues superfícies diferents separant-les després gràcies al fenomen de l'electrificació per contacte i l'efecte triboelèctric. Friccionant dos objectes no conductors es genera una gran quantitat d'electricitat estàtica. Aquest efecte no és només degut a la fricció; dues superfícies no conductores poden esdevenir carregades per efecte de ser posades una sobre l'altra. Com que moltes superfícies tenen una textura rugosa, costa molt més aconseguir l'efecte de càrrega per contacte que per fregament. Friccionar dos objectes augmenta el contacte entre les dues superfícies. Habitualment els aïllants, les substàncies que no condueixen l'electricitat, són bons tant generant com conservant càrregues superficials. Alguns exemples d'aquestes substàncies són el cautxú, el plàstic, el vidre o el cor d'algunes tiges de plantes. Els objectes conductors només rarament generen càrregues desequilibrades, excepte, per exemple, quan una superfície metàl·lica és impactada per un sòlid o un líquid no conductor. La càrrega que és transferida durant l'electrificació per contacte s'emmagatzema a la superfície de cada objecte. Els generadors d'electricitat estàtica són enginys que produeixen altíssims voltatges a una molt petita intensitat de corrent i s'utilitzen a les demostracions escolars de física comptant amb aquestes característiques.

Noteu que la presència d'un corrent elèctric no resta mèrit a les forces electroestàtiques ni per la llampada, de l'efecte corona, o d'altres fenòmens. Ambdós fenòmens poden existir simultàniament al mateix sistema.

Vegeu també: Generador electroestàtic, Màquina de Wimshurst i Generador de Van de Graaff.

Neutralització de càrrega

Els fenòmens electroestàtics naturals són més familiars com una molèstia ocasional en èpoques amb baixa humitat, però poden ser destructius i perjudicials en algunes situacions, com en el cas de les manufactures electròniques. Quan es treballa en contacte amb circuits integrats electrònics (els de tipus MOSFET són especialment delicats) o en presència de gasos inflamables cal prendre precaucions per evitar l'acumulació i la descàrrega sobtada d'electricitat estàtica.

Càrrega induïda

La inducció de càrrega es produeix quan un objecte carregat negativament repel·leix electrons de la superfície d'un altre objecte, deixant-la carregada positivament. Entre els objectes s'exerceix una força atractiva. Per exemple, si friccionem un globus i l'aproximem a una paret s'hi enganxarà gràcies a la força atractiva que s'exercirà entre les dues superfícies carregades de manera oposada. La superfície de la paret guanya una càrrega elèctrica gràcies a la inducció, els electrons de la superfície de la paret són repel·lits per la superfície negativa del globus fent esdevingui una superfície carregada positivament i, en conseqüència, atreu la superfície del globus.

Electricitat estàtica

Manifestació de l'electricitat estàtica

L'electricitat estàtica és una càrrega elèctrica originada per un desequilibri d'electrons a la superfície d'un material.

Abans de 1839 els físics havien considerat l'"electricitat estàtica" com un dels cinc tipus d'electricitat que coneixien: el "corrent elèctric" o "electricitat voltaica", l'electricitat "animal" o "bioelectricitat", la "termoelectricitat" dels termoparells i la "magnetoelectricitat" de les bobines. Però aquell any Michael Faraday va publicar els resultats de les seves investigacions sobre els diferents tipus d'electricitat, demostrant que la divisió que hom havia considerat fins llavors era una il·lusió, els "tipus d'electricitat" no eren res més que diferents fenòmens mentre l'electricitat era un única entitat que apareixia en forma positiva o negativa.

Avui dia considerem l'electricitat estàtica com una matèria objecte d'estudi de l'electroestàtica: una classe de fenòmens associats amb substàncies u objectes que tenen una càrrega elèctrica neta. En el llenguatge comú, "electricitat estàtica" és un terme que habitualment es refereix a objectes carregats amb un voltatge prou gran per a produir descàrregues electroestàtiques i atraccions o repulsions visibles.

L'electricitat estàtica era una molèstia durant els processos d'enregistrament analògic perquè pot atreure la pols cap als materials sensibles. En el cas de la fotografia, la pols s'acumulava sobre les lents i el resultat era la degradació de la imatge resultant. La pols també malmetia de manera permanent l'enregistrament de discs de vinil perquè es podia incrustar en els solcs quan l'agulla passava per sobre. En ambdós casos hi havia diferents maneres de combatre la pols dipositada per efecte de l'electricitat estàtica, alguns raspalls, especialment de fibra de carboni, s'anunciaven amb propietats antiestàtiques. També hi havia dispositius que disparaven un raig d'ions que descarregaven els discs i les lents.

Cal notar que les càrregues associades amb l'electricitat estàtica no tenen per què ser immòbils. La presència de moviments de càrregues i corrent elèctric no contradiu l'existència d'una càrrega neta, les forces electroestàtiques, ni per la descàrrega i la corona de descàrrega o d'altres fenòmens. El corrent i els fenòmens electroestàtics poden existir de manera simultània al mateix sistema.

L'electricitat estàtica és un element important en el procés biològic de la pol·linització entomògama que es fa a través de les abelles, atès que la càrrega del cos de les abelles ajuda a atreure i retenir el pol·len.

Un exemple de quan actua l'electricitat estàtica és: quan freguem un bolígraf amb una peça de roba, aquest guanya electrons i queda lleugerament carregat negativament, els trossos de paper, pel fet que els hem manipulat perden electrons i queden carregats positivament. D'aquesta manera, el bolígraf i el paper tenen càrregues de diferent signe i s'atreuen.

Vegeu també

• Electromagnetisme
• Llei de Coulomb

Viccionari