Статична електрика виникає внаслідок нерівноважного розподілу електричних зарядів на поверхні матеріалів. Основна взаємодія — сила Кулона F = kq1q2/r², де k = 8,99×10⁹ Н·м²/Кл². Накопичення заряду через трибоелектричний ефект (контакт і розділення різнорідних матеріалів) лежить в основі повсякденних явищ — від притягання кульки до волосся до блискавки, що розряджає сотні кулонів за мілісекунди.
Ця симуляція візуалізує розподіл зарядів на провідниках і діелектриках, малює силові лінії електричного поля та еквіпотенційні поверхні. Ви можете розміщувати позитивні та негативні заряди, спостерігати індуковану поляризацію в діелектриках і бачити, як провідники перерозподіляють поверхневий заряд, роблячи внутрішнє поле нульовим.
Що стверджує закон Кулона?
Закон Кулона описує електростатичну силу між двома точковими зарядами: F = kq1q2/r², де k = 1/(4πε₀) ≈ 8,99×10⁹ Н·м²/Кл². Сила притягувальна для різнойменних зарядів і відштовхувальна для однойменних, спадаючи з квадратом відстані. Два заряди по 1 Кл на відстані 1 м діють один на одного із силою близько 10 ГН — вага мільйона тонн.
Що таке трибоелектричний ефект?
Трибоелектричний ефект — перенесення електронів між матеріалами при контакті і розділенні. Різні матеріали мають різну спорідненість до електронів (описується трибоелектричним рядом): натирання скляної палички шовком залишає скло позитивно зарядженим, а шовк — негативно. Ефект залежить від площі контакту і може генерувати напруги в тисячі вольт, хоча загальний заряд (і енергія) малі.
Чому заряд зосереджений лише на поверхні провідника?
Усередині провідника в електростатичній рівновазі вільні електрони перерозподіляються до зникнення результуючого поля (інакше вони б продовжували рухатися). За теоремою Гаусса, якщо E = 0 всередині, то й об'ємна густина заряду нульова. Весь надлишковий заряд розміщується на зовнішній поверхні так, щоб вона була еквіпотенційною. Цей перерозподіл відбувається за наносекунди.
Силові лінії електричного поля — засіб візуалізації, запропонований Фарадеєм. Вони починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних; їхній напрямок у будь-якій точці збігається з напрямком E, а щільність вказує на величину поля (ближчі лінії — сильніше поле). Лінії ніколи не перетинаються і завжди перпендикулярні поверхні провідника в електростатиці.
Еквіпотенційна поверхня — поверхня, на якій електричний потенціал V є сталим. Переміщення заряду вздовж еквіпотенціалі не потребує роботи. Силові лінії поля завжди перпендикулярні еквіпотенціалям. Навколо точкового заряду еквіпотенціалі — концентричні сфери. Поверхні провідників завжди еквіпотенційні в статичному стані. Розуміння еквіпотенціалей необхідне для проектування конденсаторів та електростатичних лінз в електронних мікроскопах.
У грозовій хмарі зіткнення і розділення кристалів льоду та крупи (через трибоелектричний ефект) розділяє заряди: позитивні — вгорі, негативні — внизу. Коли напруженість поля досягає близько 3 МВ/м (пробійна міцність повітря), ступінчастий лідер поширюється вниз. При з'єднанні з висхідним стримером від землі виникає зворотній розряд з силою струму 20 000–300 000 А, що виділяє до 10 ГДж енергії.
Електростатична індукція — перерозподіл зарядів у провіднику під дією сусіднього зарядженого тіла без прямого контакту. Позитивно заряджений стрижень, піднесений до нейтральної металевої кулі, притягує електрони до ближнього боку і відштовхує позитивний заряд до дальнього. Якщо кулю заземлити (позбавивши надлишкового позитивного заряду) і прибрати заземлення до відведення стрижня, куля набуде негативного заряду.
Промислові електростатичні осаджувачі видаляють частинки з вихлопних газів, подаючи сильне поле (50–100 кВ) між розрядним електродом (корона) і збиральною пластиною. Корона іонізує повітря; іони прикріплюються до пилових частинок, надаючи їм заряд. Сила Кулона переміщує заряджені частинки до пластин, де вони видаляються струшуванням. Сучасні установки досягають ефективності очищення понад 99,5% для частинок від 0,1 мкм.
Генератор Ван де Граафа використовує рухомий пасок для безперервного перенесення заряду на велику металеву сферу, накопичуючи потенціал до сотень тисяч або мільйонів вольт. Перший великий генератор Ван де Граафа (1931) досяг 1,5 МВ. Сучасні електростатичні прискорювачі (з ланцюгами Пеллетрона замість пасків) досягають 25 МВ і використовуються в ядерній фізиці та іонному легуванні напівпровідників.
У діелектрику (ізоляторі) вільних електронів немає, але зв'язані заряди молекул можуть злегка зміщуватися під дією прикладеного поля, створюючи електричні диполі. Ця поляризація породжує внутрішнє поле, що протидіє прикладеному, зменшуючи результуюче поле всередині матеріалу. Відношення ємності з діелектриком і без нього — відносна діелектрична проникність εr: для води εr ≈ 80, для більшості пластиків — 4–8.