الکترواستاتیک شاخه ای از فیزیک است که بارهای الکتریکی را در حالت سکون (الکتریسیته ساکن) مطالعه می کند.
از زمان های کلاسیک، مشخص شده است که برخی از مواد مانند کهربا، ذرات سبک وزن را پس از مالش جذب می کنند. کلمه یونانی برای کهربا، ἤλεκτρον (ḗlektron)، بنابراین منبع کلمه «الکتریسیته» بود. پدیده های الکترواستاتیک از نیروهایی که بارهای الکتریکی بر یکدیگر وارد می کنند ناشی می شوند. چنین نیروهایی با قانون کولن توصیف می شوند.
حتی اگر نیروهای القای الکترواستاتیک نسبتاً ضعیف به نظر می رسند، برخی از نیروهای الکترواستاتیک نسبتاً بزرگ هستند. نیروی بین یک الکترون و یک پروتون، که با هم یک اتم هیدروژن را تشکیل می دهند، حدود 36 مرتبه قدر قوی تر از نیروی گرانشی است که بین آنها اعمال می شود.
نمونه‌های زیادی از پدیده‌های الکترواستاتیک وجود دارد، از موارد ساده‌ای مانند جذب پوشش پلاستیکی به دست پس از برداشتن آن از بسته، تا انفجار ظاهراً خود به خودی سیلوهای دانه، آسیب قطعات الکترونیکی در حین ساخت، و دستگاه فتوکپی و لیزر. عملکرد چاپگر الکترواستاتیک شامل تجمع بار روی سطح اجسام به دلیل تماس با سطوح دیگر است. اگرچه تبادل بار هر زمان که هر دو سطح با هم تماس پیدا می‌کنند و از هم جدا می‌شوند، اتفاق می‌افتد، اما اثرات تبادل بار معمولاً تنها زمانی مشاهده می‌شود که حداقل یکی از سطوح مقاومت بالایی در برابر جریان الکتریکی داشته باشد، زیرا بارهایی که منتقل می‌شوند برای مدت زمان کافی در آنجا محبوس می‌شوند. اثرات آنها مشاهده شود. سپس این بارها روی جسم باقی می مانند تا زمانی که به زمین بریزند یا به سرعت توسط تخلیه خنثی شوند. پدیده آشنای “شوک” ایستا ناشی از خنثی سازی باری است که در بدن از تماس با سطوح عایق ایجاد می شود.
قانون کولن می گوید:
“میزان نیروی الکترواستاتیک جاذبه یا دافعه بین دو بار نقطه ای نسبت مستقیم با حاصل ضرب قدر بارها و با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد.”
نیرو در امتداد خط مستقیمی است که به آنها می پیوندد. اگر دو بار علامت یکسانی داشته باشند، نیروی الکترواستاتیک بین آنها دافعه است. اگر علائم متفاوتی داشته باشند، نیروی بین آنها جذاب است.
سری تریبوالکتریک
اثر تریبوالکتریک نوعی برق‌رسانی تماسی است که در آن مواد خاصی با تماس با ماده‌ای متفاوت و سپس جدا شدن، بار الکتریکی می‌شوند. یکی از مواد دارای بار مثبت و دیگری بار منفی برابر می شود. قطبیت و قدرت بارهای تولید شده با توجه به مواد، زبری سطح، دما، کرنش و سایر خواص متفاوت است. به عنوان مثال، کهربا می تواند با اصطکاک با موادی مانند پشم، بار الکتریکی به دست آورد. این ویژگی که اولین بار توسط تالس از میلتوس ثبت شد، اولین پدیده الکتریکی بود که توسط انسان مورد بررسی قرار گرفت. نمونه‌های دیگری از موادی که در صورت مالش به یکدیگر می‌توانند بار قابل توجهی به دست آورند عبارتند از: شیشه‌ای که با ابریشم مالیده شده و لاستیک سخت مالیده شده با خز.
ژنراتورهای الکترواستاتیک
وجود عدم تعادل بار سطحی به این معنی است که اجسام نیروهای جذاب یا دافعه ای از خود نشان می دهند. این عدم تعادل بار سطحی، که الکتریسیته ساکن ایجاد می‌کند، می‌تواند با لمس دو سطح متفاوت با هم و سپس جدا کردن آنها به دلیل پدیده‌های برق‌رسانی تماسی و اثر تریبوالکتریک ایجاد شود. مالش دو جسم نارسانا مقدار زیادی الکتریسیته ساکن تولید می کند. این فقط نتیجه اصطکاک نیست. دو سطح نارسانا فقط با قرار گرفتن یکی روی دیگری می توانند شارژ شوند. از آنجایی که اکثر سطوح دارای بافتی ناهموار هستند، رسیدن به شارژ از طریق تماس نسبت به مالش بیشتر طول می کشد. مالش اجسام به یکدیگر میزان تماس چسب بین دو سطح را افزایش می دهد. معمولاً عایق ها، یعنی موادی که الکتریسیته را رسانا نمی کنند، هم در تولید و هم در نگهداری بار سطحی خوب عمل می کنند. چند نمونه از این مواد عبارتند از لاستیک، پلاستیک، شیشه و مغز. اجسام رسانا به ندرت باعث عدم تعادل بار می شوند، مگر زمانی که سطح فلزی توسط نارساناهای جامد یا مایع برخورد می کند. باری که در طول برق رسانی تماسی منتقل می شود روی سطح هر جسم ذخیره می شود. ژنراتورهای الکترواستاتیک، دستگاه هایی که ولتاژ بسیار بالایی را در جریان بسیار کم تولید می کنند و برای نمایش فیزیک کلاس درس استفاده می شوند، بر این اثر متکی هستند.
وجود جریان الکتریکی از نیروهای الکترواستاتیک یا جرقه زدن، تخلیه تاج یا سایر پدیده ها کم نمی کند. هر دو پدیده می توانند به طور همزمان در یک سیستم وجود داشته باشند.
خنثی سازی شارژ
آشناترین پدیده الکترواستاتیک طبیعی که اغلب به عنوان یک مزاحم گاه به گاه در فصول رطوبت کم در نظر گرفته می شود، الکتریسیته ساکن است. الکتریسیته ساکن به طور کلی بی ضرر است، اما می تواند در برخی شرایط مخرب و مضر باشد (مثلاً در تولید لوازم الکترونیکی). هنگام کار در تماس مستقیم با الکترونیک مدار مجتمع (به ویژه ماسفت های ظریف). در صورت وجود گاز قابل اشتعال، باید مراقب بود که از تجمع و تخلیه ناگهانی بار استاتیک جلوگیری شود (به تخلیه الکترواستاتیک مراجعه کنید).
القای الکترواستاتیک
القای الکترواستاتیک، که توسط دانشمند بریتانیایی جان کانتون در سال 1753 و پروفسور سوئدی یوهان کارل ویلک در سال 1762 کشف شد، توزیع مجدد بارها در یک جسم ناشی از میدان الکتریکی یک بار مجاور است. به عنوان مثال، اگر یک جسم با بار مثبت به یک جسم فلزی بدون بار نزدیک شود، الکترون های متحرک دارای بار منفی در فلز توسط بار خارجی جذب می شوند و به سمت فلز رو به روی آن حرکت می کنند و یک بار منفی بر روی آن ایجاد می کنند. سطح هنگامی که الکترون ها از یک منطقه خارج می شوند، به دلیل هسته اتم های فلز، بار مثبت از خود باقی می گذارند، بنابراین طرف جسم فلزی که از بار دور است، بار مثبت پیدا می کند. این بارهای القایی با حذف بار خارجی ناپدید می شوند. القایی همچنین مسئول جذب اجسام سبک مانند بادکنک، ضایعات کاغذ و بادام زمینی بسته بندی فوم به بارهای ساکن است. بارهای سطحی القا شده در اجسام رسانا دقیقاً میدان های الکتریکی خارجی داخل هادی را خنثی می کند، بنابراین هیچ میدان الکتریکی در داخل یک جسم فلزی وجود ندارد. این مبنای عمل محافظ میدان الکتریکی قفس فارادی است. از آنجایی که میدان الکتریکی گرادیان ولتاژ است، القای الکترواستاتیک نیز مسئول ثابت کردن پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) در سراسر یک جسم رسانا است.
الکتریسیته ساکن
قبل از سال 1832، زمانی که مایکل فارادی نتایج آزمایش خود را در مورد هویت الکتریسیته منتشر کرد، فیزیکدانان فکر می کردند “الکتریسیته ساکن” به نوعی با بارهای الکتریکی دیگر متفاوت است. مایکل فارادی ثابت کرد که الکتریسیته القایی از آهنربا، الکتریسیته ولتایی تولید شده توسط باتری و الکتریسیته ساکن همه یکسان هستند.
الکتریسیته ساکن معمولاً زمانی ایجاد می شود که مواد خاصی مانند پشم روی پلاستیک یا کف کفش روی فرش به یکدیگر مالیده شوند. این فرآیند باعث می شود که الکترون ها از سطح یک ماده کشیده شوند و روی سطح ماده دیگر جابجا شوند.
شوک ایستا زمانی رخ می دهد که سطح ماده دوم که دارای بار منفی با الکترون ها است، با یک هادی با بار مثبت برخورد کند یا برعکس.
الکتریسیته ساکن معمولاً در زیروگرافی، فیلترهای هوا و برخی از فرآیندهای پوشش مورد استفاده در تولید استفاده می شود. الکتریسیته ساکن تجمع بارهای الکتریکی روی دو جسم است که از یکدیگر جدا شده اند. قطعات الکتریکی کوچک ممکن است در اثر الکتریسیته ساکن آسیب ببینند و سازندگان قطعات برای جلوگیری از این امر از تعدادی دستگاه آنتی استاتیک استفاده می کنند.
الکتریسیته ساکن و صنایع شیمیایی
هنگامی که مواد مختلف کنار هم قرار می گیرند و سپس از هم جدا می شوند، انباشته شدن بار الکتریکی می تواند اتفاق بیفتد که باعث می شود یک ماده دارای بار مثبت و دیگری بار منفی شود. شوک خفیفی که هنگام لمس یک جسم زمین شده پس از راه رفتن روی فرش دریافت می کنید، نمونه ای از بار الکتریکی اضافی است که در بدن شما از شارژ اصطکاکی بین کفش و فرش انباشته می شود. تجمع بار در بدن شما می تواند یک تخلیه الکتریکی قوی ایجاد کند. اگرچه آزمایش با الکتریسیته ساکن ممکن است سرگرم کننده باشد، جرقه های مشابه در صنایعی که با مواد قابل اشتعال سروکار دارند، خطرات شدیدی ایجاد می کند، جایی که یک جرقه الکتریکی کوچک ممکن است مخلوط های انفجاری را با عواقب ویرانگر مشتعل کند.
یک مکانیسم شارژ مشابه می تواند در سیالات با رسانایی کم که از طریق خطوط لوله جریان دارند رخ دهد – فرآیندی به نام جریان الکتریکی. سیالاتی که رسانایی الکتریکی پایینی دارند (زیر 50 پیکوزیمنس بر متر)، انباشته نامیده می شوند. سیالاتی که رسانایی بالاتر از 50 pS/m دارند غیر تجمع کننده نامیده می شوند. در غیر انباشته ها، بارها به همان سرعتی که جدا می شوند دوباره ترکیب می شوند و از این رو تولید بار الکترواستاتیکی قابل توجه نیست. در صنعت پتروشیمی، pS/m 50 حداقل مقدار توصیه شده هدایت الکتریکی برای حذف کافی بار از سیال است.
یک مفهوم مهم برای عایق بندی سیالات، زمان آرامش ساکن است. این شبیه به ثابت زمانی (tau) در یک مدار RC است. برای مواد عایق، نسبت ثابت دی الکتریک ساکن بر رسانایی الکتریکی ماده است. برای سیالات هیدروکربنی، گاهی اوقات با تقسیم عدد 18 بر رسانایی الکتریکی سیال تقریبی می شود. بنابراین سیالی که دارای رسانایی الکتریکی 1 pS/cm (100 pS/m) است، زمان آرامش تخمینی حدود 18 ثانیه خواهد داشت. بار اضافی در یک سیال تقریباً پس از 4 تا 5 برابر زمان استراحت، یا 90 ثانیه برای مایع در مثال بالا، تقریباً به طور کامل از بین می رود.
تولید شارژ در سرعت های سیال بالاتر و قطر لوله های بزرگتر افزایش می یابد و در لوله های 8 اینچ (200 میلی متر) یا بزرگتر بسیار قابل توجه است. تولید بار استاتیک در این سیستم ها با محدود کردن سرعت سیال به بهترین وجه کنترل می شود. استاندارد بریتانیایی BS PD CLC/TR 50404:2003 (قبلاً BS-5958-Part 2) آیین نامه عملکرد برای کنترل الکتریسیته ساکن نامطلوب، محدودیت های سرعت را تجویز می کند. به دلیل تأثیر زیاد آن بر ثابت دی الکتریک، سرعت توصیه شده برای سیالات هیدروکربنی حاوی آب باید به 1 متر بر ثانیه محدود شود.
اتصال و ارتینگ روش های معمولی هستند که از طریق آنها می توان از تجمع بار جلوگیری کرد. برای سیالات با هدایت الکتریکی کمتر از 10 pS/m، اتصال و اتصال به زمین برای اتلاف بار کافی نیست و ممکن است به افزودنی های ضد الکتریسیته ساکن نیاز باشد.
استانداردهای قابل اجرا
- BS PD CLC/TR 50404:2003 آیین نامه عمل برای کنترل الکتریسیته ساکن نامطلوب
- NFPA 77 (2007) تمرین توصیه شده در مورد الکتریسیته ساکن
- API RP 2003 (1998) حفاظت در برابر جرقه های ناشی از جریان های ساکن، صاعقه و سرگردان
القای الکترواستاتیک در کاربردهای تجاری
القای الکترواستاتیک در گذشته برای ساخت ژنراتورهای ولتاژ بالا به نام ماشین‌های تاثیرگذار استفاده می‌شد. جزء اصلی که در این زمان ها پدید آمد خازن است. القای الکترواستاتیکی نیز برای بارش یا طرح ریزی الکترومکانیکی استفاده می شود. در چنین فناوری‌هایی، ذرات باردار با اندازه‌های کوچک به طور عمدی روی سطوح جمع‌آوری یا رسوب می‌شوند. کاربردها از رسوب دهنده الکترواستاتیک تا پوشش الکترواستاتیک و چاپ جوهر افشان را شامل می شود.
محرک های الکترواستاتیک اخیراً توجه زیادی را به حوزه تحقیقاتی رباتیک نرم جلب کرده اند. محرک های الکترواستاتیک را می توان به عنوان کلاچ برای دستگاه های پوشیدنی استفاده کرد که می توانند تنظیم امپدانس مکانیکی و بهره وری انرژی بهبود یافته را نشان دهند. سایر کاربردهای مرتبط شامل، اما نه محدود به محرک‌های الکترواستاتیک تقویت‌شده هیدرولیکی چند حالته برای هاپتیک‌های پوشیدنی و روبات‌هایی که توسط محرک الکترواستاتیک هدایت می‌شوند.