Zgryźliwość kojarzy mi się z radością, która źle skończyła.
1
1. ELEKTRYCZNOŚĆ
STATYCZNA
W
TECHNOLOGII
W technice i przyrodzie obserwuje się powstawanie ładunków elektrycznych
w trakcie różnych czynności i procesów fizykochemicznych, jak np. przy tarciu,
rozdrabnianiu, rozpylaniu, rozdzielaniu materiałów stałych, cieczy i gazów.
Zjawiska te są znane od dawna i po raz pierwszy zostały opisane w VII wieku
p.n.e. przez greckiego filozofa Talesa z Miletu, który zaobserwował je przy
pocieraniu bursztynu tkaniną wełnianą. Od greckiej nazwy bursztynu „elektron"
pochodzi całe nazewnictwo zjawisk elektrotechniki. W wieku XVII i XVIII
zjawisko powstawania ładunków elektrycznych podczas tarcia zostało dokładniej
zbadane, by stać się
początkiem nauki o nieruchomych ładunkach h elektrycznych
i związanych z nimi zjawiskach[2].
Poznanie budowy atomu umożliwiło lepsze rozeznanie w przyrodzie
powstawania ładunków elektrostatycznych, a rozwój techniki doprowadził do
konieczności dokładniejszego badania i analizy zjawisk związanych z ich
powstawaniem i występowaniem.
Elektrostatyka jest nauką o własnościach niezmiennych w czasie pól
elektrycznych oraz wywołujących je ładunkach elektrycznych. Ściślej pole
elektrostatyczne istnieje tylko w sensie makroskopowym, ponieważ cząstki
elementarne wchodzące w skład atomów są w nieustannym ruchu. Tylko w sensie
makroskopowym można mówić o stanie spoczynku ładunków[1].
Jednostką ładunku elektrycznego w Międzynarodowym Układzie Jednostek
Miar (SI) jest kulomb (C). Kulomb jest ładunkiem elektrycznym przepływającym
w czasie l s (l sekundy) przez przewodnik, gdy prąd elektryczny płynący przez ten
przewodnik wynosi l A (amper); lC =lA·ls =6,25-10
18
e (ładunków elementarnych).
Jeżeli prąd jest zmienny, to ładunek Q, który przepłynął w czasie od chwili
początkowej do chwili t, oblicza się ze wzoru:
t
Q
Idt
0
1.1. ŁADUNKI
ELEKTROSTATYCZNE
Ładunki elektryczności statycznej są to ładunki powstające w wyniku styku,
a następnie rozdzielenia lub wzajemnego przesunięcia zetkniętych ze sobą, ciał itp.
procesów związanych ze zmianę, wzajemnego położenia cząsteczek ciał stałych,
cieczy i gazów. Ładunki elektrostatyczne tworzę, się również przy zmianie stanu
skupienia oraz na skutek indukcji[2].
Powstawanie ładunków statycznych na określonym urządzeniu w procesie
produkcyjnym, prowadzi zazwyczaj do gromadzenia się na nim coraz większego
ładunku a w wyniku tego, do przekroczenia wytrzymałości elektrycznej
otaczającego powietrza i powstania wyładowania iskrowego. Jest oczywiste,
że energia elektryczna wyzwalająca się w postaci iskry różni się w owej chwili
bardzo od „statycznej”, jednak, z punktu widzenia pochodzenia ładunku, iskry
takie również są nazywane elektrostatycznymi[3].
2
W rzeczywistości ładunki te nie są, nieruchome, lecz jedynie umiejscowione,
tzn. ich położenie jest znane lub może być określone[2].
Jeżeli ciału naładowanemu dodatnio będziemy dostarczać ładunek ujemny, to stopień
jego naelektryzowania (siły wzajemnego oddziaływania naładowanych ciał) będzie
się zmniejszał dotąd, aż ciało to się stanie elektrycznie obojętne, po czym ono z kolei,
zacznie się ładować ujemnie. Wynika stąd, że ładunki różnoimienne wzajemnie się
znoszą. Prowadzi to do wniosku, że w ciałach elektrycznie naładowanych, wartości
ładunków obydwu znaków są jednakowe, co tłumaczy brak oddziaływania tych
ładunków na zewnątrz. Ciało mające na przykład nadmiar ładunków ujemnych,
naładowane jest ujemnie[3].
W wyniku elektryzacji ciał przez tarcie ładują się obydwa ciała, przy czym
jedno z nich ładuje się zawsze dodatnio, a drugie – ujemnie. W ten sposób
dochodzimy do wniosku, że ładunki przenoszone z jednego ciała nie pojawiają
się i nie znikają samoczynnie, lecz że mogą być przenoszone z jednego ciała
na drugie lub przemieszczać się w obrębie tego samego ciała.
PRZYKŁAD
1.
Człowiek w obuwiu nieprzewodzęcym chodzi po podłodze lub dywanie z materiału
izolacyjnego. Po przejściu zaledwie kilku kroków można stwierdzić naładowanie
się człowieka i podłoża (rys.1). Izolacyjność podłoża uniemożliwia w tym
przypadku szybki spływ ładunków do ziemi.
PRZYKŁAD 2.
Folia izolacyjna lub papier są, odwijane z bębna. Obserwuje się naładowanie
zarówno bębna jak i odwijanej taśmy (rys.2). Zjawisko to występuje powszechnie
w przemyśle papierniczym, w przemyśle tworzyw sztucznych, drukarstwie itp.
Rys. 1. Elektrostatyczne ładowanie się człowieka w obuwiu nieprzewodzęcym
podczas chodzenia po wykładzinie z materiału nieprzewodzącego [2]
Rys. 2. Ładowanie się odwijanej z bębna taśmy izolacyjnej [2]
Podobne zjawisko można zaobserwować w życiu codziennym przy
zdejmowaniu odzieży, szczególnie jeżeli jest wykonana ona z tworzyw sztucznych.
3
2.2. INDUKCJA
ELEKTROSTATYCZNA
Jeżeli do odizolowanego przewodnika B zbliżymy naładowane ciało A (rys.3),
to na przewodniku B pojawią się ładunki: na stronie zwróconej do przewodnika A -
ładunek przeciwny, a na stronie oddalonej- ładunek zgodny ze znakiem ładunku ciała
A[3].
Przy oddalaniu ciała A ładunek się zmniejsza. Jeżeli, natomiast, przed
oddalaniem naładowanego ciała A rozdzielimy obie części przewodnika B, to na
każdej z nich pozostanie taki sam ładunek również po usunięciu ciała A.
Rys.3. Elektryzowanie przez indukcję [3]
W warunkach przemysłowych ładunki indukcyjne mogą powstawać
na odizolowanych, na przykład przez smary, metalowych częściach maszyn lub na
osobach przebywających w pobliżu naelektryzowanych materiałów. Zjawisko
to jest szczególnie niebezpieczne, gdy w pomieszczeniu produkcyjnym, w pobliżu
takich miejsc, znajdują się materiały palne lub wybuchowe, lub gdy wytwarzają
się mieszaniny wybuchowe par i pyłów z powietrzem.
2.3. POLE
ELEKTROSTATYCZNE
Wokół ładunków elektrycznych istnieje zawsze pole elektryczne. Jeżeli ładunki
są w spoczynku, to pole elektryczne nazywa się polem elektrostatycznym. [1]
Pole elektrostatyczne - pole elektryczne, wytworzone przez ładunek
elektrostatyczny; stan energetyczny przestrzeni wokół ładunku elektrostatycznego,
w której ładunek ten ma zgromadzoną energię potencjalną i działa z określoną
siłą na inne ładunki[5].
Ładunki elektryczne można podzielić na ładunki swobodne i ładunki związane.
Ładunki swobodne pod działaniem pola elektrycznego mogę się poruszać
w środowisku, w którym się znajduję. Ładunki związane wchodzę w skład
obojętnych cząsteczek dielektryków lub też są umiejscowione w dielektryku.
Położenie ładunków związanych jest wynikiem działania sił wewnętrznych
występujących w atomach lub cząsteczkach. Wskutek działania pola elektrycznego
ładunki związane mogę się obracać lub przesuwać na niewielkie odległości[2].
4
Ładunki elektryczne mogę być rozmieszczone w różny sposób. Stąd wyróżnia się:
ładunki punktowe
;
ładunek taki będzie oznaczony przez q
;
ładunki liniowe,
rozmieszczone w przybliżeniu jeden obok drugiego.
Można określić tzw. gęstość liniową ładunków:
τ
Δq
Δl
przy czym Δq — ilość ładunku rozmieszczona na długości Δl
Jednostką gęstości liniowej ładunku jest kulomb na metr (l C·m
-1
).
ładunki powierzchniowe
.
Można określić gęstość powierzchniową ładunków:
σ
Δq
ΔS
przy czym: ΔS— pole powierzchni elementarnej dielektryka, m
2
.
Jednostką gęstości powierzchniowej ładunku jest kulomb na metr
kwadratowy (l C·m
-2
).
ładunki przestrzenne
.
Można określić gęstość objętościową ładunków:
q
V
przy czym: ΔV— objętość elementarna. Jednostką gęstości objętościowej
ładunku jest kulomb na metr sześcienny (l C·m
-3
).
Miarą wielkości pola elektrostatycznego jest jego natężenie[1]. Natężeniem
pola elektrostatycznego nazywa się granicę stosunku siły
F
działającej na ładunek
próbny do wartości tego ładunku:
F
E
lim
q
o
q
E
ΔF
Δq
przy czym:
ΔF —-siła działająca na ładunek próbny Δq, N,
Δq — punktowy ładunek próbny , C.
Jednostką natężenia pola jest wolt na metr (l Vm
-1
). Natężenie pola
elektrycznego jest wielkością wektorową, ponieważ siła ΔF jest wielkością
wektorową. Zwrot wektora natężenia pola przyjmuje się za dodatni dla
dodatniego ładunku próbnego Δq.
A zatem natężenie poła elektrostatycznego ładunku punktowego, zgodnie z
prawem Coulomba określa wzór
5
E
Q
4
r
r
2
0
E
są wielkościami wektorowymi. Jeżeli pole
elektrostatyczne wytworzone jest przez kilka ładunków punktowych, to wypadkowe
natężenie pola
F
jak i natężenie pola
E
w dowolnym punkcie jest równe sumie geometrycznej wektorów
natężenia pola pochodzących od poszczególnych ładunków:
E
2
1
E
E
E
n
Linie po których polu elektrycznym porusza się niewielki ładunek elektryczny,
są nazywane liniami sił pola elektrycznego albo też krócej – liniami sił lub liniami
pola. Przez każdy punkt przechodzi tylko jedna linia pola, a styczna do niej
wyznacza kierunek wektora natężenia pola w tym punkcie[3].
Kierunek, natężenie i kształt linii pola elektrostatycznego zależą od znaku, ilości
i rozmieszczenia ładunków elektrycznych oraz od wymiarów geometrycznych
elektrycznych właściwości środowiska, w którym pole występuje[2].
Rys.4. Linie sił pola elektrycznego [3]
Siła
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl hannaeva.xlx.pl
1. ELEKTRYCZNOŚĆ
STATYCZNA
W
TECHNOLOGII
W technice i przyrodzie obserwuje się powstawanie ładunków elektrycznych
w trakcie różnych czynności i procesów fizykochemicznych, jak np. przy tarciu,
rozdrabnianiu, rozpylaniu, rozdzielaniu materiałów stałych, cieczy i gazów.
Zjawiska te są znane od dawna i po raz pierwszy zostały opisane w VII wieku
p.n.e. przez greckiego filozofa Talesa z Miletu, który zaobserwował je przy
pocieraniu bursztynu tkaniną wełnianą. Od greckiej nazwy bursztynu „elektron"
pochodzi całe nazewnictwo zjawisk elektrotechniki. W wieku XVII i XVIII
zjawisko powstawania ładunków elektrycznych podczas tarcia zostało dokładniej
zbadane, by stać się
początkiem nauki o nieruchomych ładunkach h elektrycznych
i związanych z nimi zjawiskach[2].
Poznanie budowy atomu umożliwiło lepsze rozeznanie w przyrodzie
powstawania ładunków elektrostatycznych, a rozwój techniki doprowadził do
konieczności dokładniejszego badania i analizy zjawisk związanych z ich
powstawaniem i występowaniem.
Elektrostatyka jest nauką o własnościach niezmiennych w czasie pól
elektrycznych oraz wywołujących je ładunkach elektrycznych. Ściślej pole
elektrostatyczne istnieje tylko w sensie makroskopowym, ponieważ cząstki
elementarne wchodzące w skład atomów są w nieustannym ruchu. Tylko w sensie
makroskopowym można mówić o stanie spoczynku ładunków[1].
Jednostką ładunku elektrycznego w Międzynarodowym Układzie Jednostek
Miar (SI) jest kulomb (C). Kulomb jest ładunkiem elektrycznym przepływającym
w czasie l s (l sekundy) przez przewodnik, gdy prąd elektryczny płynący przez ten
przewodnik wynosi l A (amper); lC =lA·ls =6,25-10
18
e (ładunków elementarnych).
Jeżeli prąd jest zmienny, to ładunek Q, który przepłynął w czasie od chwili
początkowej do chwili t, oblicza się ze wzoru:
t
Q
Idt
0
1.1. ŁADUNKI
ELEKTROSTATYCZNE
Ładunki elektryczności statycznej są to ładunki powstające w wyniku styku,
a następnie rozdzielenia lub wzajemnego przesunięcia zetkniętych ze sobą, ciał itp.
procesów związanych ze zmianę, wzajemnego położenia cząsteczek ciał stałych,
cieczy i gazów. Ładunki elektrostatyczne tworzę, się również przy zmianie stanu
skupienia oraz na skutek indukcji[2].
Powstawanie ładunków statycznych na określonym urządzeniu w procesie
produkcyjnym, prowadzi zazwyczaj do gromadzenia się na nim coraz większego
ładunku a w wyniku tego, do przekroczenia wytrzymałości elektrycznej
otaczającego powietrza i powstania wyładowania iskrowego. Jest oczywiste,
że energia elektryczna wyzwalająca się w postaci iskry różni się w owej chwili
bardzo od „statycznej”, jednak, z punktu widzenia pochodzenia ładunku, iskry
takie również są nazywane elektrostatycznymi[3].
2
W rzeczywistości ładunki te nie są, nieruchome, lecz jedynie umiejscowione,
tzn. ich położenie jest znane lub może być określone[2].
Jeżeli ciału naładowanemu dodatnio będziemy dostarczać ładunek ujemny, to stopień
jego naelektryzowania (siły wzajemnego oddziaływania naładowanych ciał) będzie
się zmniejszał dotąd, aż ciało to się stanie elektrycznie obojętne, po czym ono z kolei,
zacznie się ładować ujemnie. Wynika stąd, że ładunki różnoimienne wzajemnie się
znoszą. Prowadzi to do wniosku, że w ciałach elektrycznie naładowanych, wartości
ładunków obydwu znaków są jednakowe, co tłumaczy brak oddziaływania tych
ładunków na zewnątrz. Ciało mające na przykład nadmiar ładunków ujemnych,
naładowane jest ujemnie[3].
W wyniku elektryzacji ciał przez tarcie ładują się obydwa ciała, przy czym
jedno z nich ładuje się zawsze dodatnio, a drugie – ujemnie. W ten sposób
dochodzimy do wniosku, że ładunki przenoszone z jednego ciała nie pojawiają
się i nie znikają samoczynnie, lecz że mogą być przenoszone z jednego ciała
na drugie lub przemieszczać się w obrębie tego samego ciała.
PRZYKŁAD
1.
Człowiek w obuwiu nieprzewodzęcym chodzi po podłodze lub dywanie z materiału
izolacyjnego. Po przejściu zaledwie kilku kroków można stwierdzić naładowanie
się człowieka i podłoża (rys.1). Izolacyjność podłoża uniemożliwia w tym
przypadku szybki spływ ładunków do ziemi.
PRZYKŁAD 2.
Folia izolacyjna lub papier są, odwijane z bębna. Obserwuje się naładowanie
zarówno bębna jak i odwijanej taśmy (rys.2). Zjawisko to występuje powszechnie
w przemyśle papierniczym, w przemyśle tworzyw sztucznych, drukarstwie itp.
Rys. 1. Elektrostatyczne ładowanie się człowieka w obuwiu nieprzewodzęcym
podczas chodzenia po wykładzinie z materiału nieprzewodzącego [2]
Rys. 2. Ładowanie się odwijanej z bębna taśmy izolacyjnej [2]
Podobne zjawisko można zaobserwować w życiu codziennym przy
zdejmowaniu odzieży, szczególnie jeżeli jest wykonana ona z tworzyw sztucznych.
3
2.2. INDUKCJA
ELEKTROSTATYCZNA
Jeżeli do odizolowanego przewodnika B zbliżymy naładowane ciało A (rys.3),
to na przewodniku B pojawią się ładunki: na stronie zwróconej do przewodnika A -
ładunek przeciwny, a na stronie oddalonej- ładunek zgodny ze znakiem ładunku ciała
A[3].
Przy oddalaniu ciała A ładunek się zmniejsza. Jeżeli, natomiast, przed
oddalaniem naładowanego ciała A rozdzielimy obie części przewodnika B, to na
każdej z nich pozostanie taki sam ładunek również po usunięciu ciała A.
Rys.3. Elektryzowanie przez indukcję [3]
W warunkach przemysłowych ładunki indukcyjne mogą powstawać
na odizolowanych, na przykład przez smary, metalowych częściach maszyn lub na
osobach przebywających w pobliżu naelektryzowanych materiałów. Zjawisko
to jest szczególnie niebezpieczne, gdy w pomieszczeniu produkcyjnym, w pobliżu
takich miejsc, znajdują się materiały palne lub wybuchowe, lub gdy wytwarzają
się mieszaniny wybuchowe par i pyłów z powietrzem.
2.3. POLE
ELEKTROSTATYCZNE
Wokół ładunków elektrycznych istnieje zawsze pole elektryczne. Jeżeli ładunki
są w spoczynku, to pole elektryczne nazywa się polem elektrostatycznym. [1]
Pole elektrostatyczne - pole elektryczne, wytworzone przez ładunek
elektrostatyczny; stan energetyczny przestrzeni wokół ładunku elektrostatycznego,
w której ładunek ten ma zgromadzoną energię potencjalną i działa z określoną
siłą na inne ładunki[5].
Ładunki elektryczne można podzielić na ładunki swobodne i ładunki związane.
Ładunki swobodne pod działaniem pola elektrycznego mogę się poruszać
w środowisku, w którym się znajduję. Ładunki związane wchodzę w skład
obojętnych cząsteczek dielektryków lub też są umiejscowione w dielektryku.
Położenie ładunków związanych jest wynikiem działania sił wewnętrznych
występujących w atomach lub cząsteczkach. Wskutek działania pola elektrycznego
ładunki związane mogę się obracać lub przesuwać na niewielkie odległości[2].
4
Ładunki elektryczne mogę być rozmieszczone w różny sposób. Stąd wyróżnia się:
ładunki punktowe
;
ładunek taki będzie oznaczony przez q
;
ładunki liniowe,
rozmieszczone w przybliżeniu jeden obok drugiego.
Można określić tzw. gęstość liniową ładunków:
τ
Δq
Δl
przy czym Δq — ilość ładunku rozmieszczona na długości Δl
Jednostką gęstości liniowej ładunku jest kulomb na metr (l C·m
-1
).
ładunki powierzchniowe
.
Można określić gęstość powierzchniową ładunków:
σ
Δq
ΔS
przy czym: ΔS— pole powierzchni elementarnej dielektryka, m
2
.
Jednostką gęstości powierzchniowej ładunku jest kulomb na metr
kwadratowy (l C·m
-2
).
ładunki przestrzenne
.
Można określić gęstość objętościową ładunków:
q
V
przy czym: ΔV— objętość elementarna. Jednostką gęstości objętościowej
ładunku jest kulomb na metr sześcienny (l C·m
-3
).
Miarą wielkości pola elektrostatycznego jest jego natężenie[1]. Natężeniem
pola elektrostatycznego nazywa się granicę stosunku siły
F
działającej na ładunek
próbny do wartości tego ładunku:
F
E
lim
q
o
q
E
ΔF
Δq
przy czym:
ΔF —-siła działająca na ładunek próbny Δq, N,
Δq — punktowy ładunek próbny , C.
Jednostką natężenia pola jest wolt na metr (l Vm
-1
). Natężenie pola
elektrycznego jest wielkością wektorową, ponieważ siła ΔF jest wielkością
wektorową. Zwrot wektora natężenia pola przyjmuje się za dodatni dla
dodatniego ładunku próbnego Δq.
A zatem natężenie poła elektrostatycznego ładunku punktowego, zgodnie z
prawem Coulomba określa wzór
5
E
Q
4
r
r
2
0
E
są wielkościami wektorowymi. Jeżeli pole
elektrostatyczne wytworzone jest przez kilka ładunków punktowych, to wypadkowe
natężenie pola
F
jak i natężenie pola
E
w dowolnym punkcie jest równe sumie geometrycznej wektorów
natężenia pola pochodzących od poszczególnych ładunków:
E
2
1
E
E
E
n
Linie po których polu elektrycznym porusza się niewielki ładunek elektryczny,
są nazywane liniami sił pola elektrycznego albo też krócej – liniami sił lub liniami
pola. Przez każdy punkt przechodzi tylko jedna linia pola, a styczna do niej
wyznacza kierunek wektora natężenia pola w tym punkcie[3].
Kierunek, natężenie i kształt linii pola elektrostatycznego zależą od znaku, ilości
i rozmieszczenia ładunków elektrycznych oraz od wymiarów geometrycznych
elektrycznych właściwości środowiska, w którym pole występuje[2].
Rys.4. Linie sił pola elektrycznego [3]
Siła