elektrostatikk

Elektrostatiske fenomener var kjent allerede i oldtiden. Blant annet påviste Thales fra Milet (cirka 600 fvt.) at rav (gresk elektron) etter gnidning kunne tiltrekke lette gjenstander. Grunnlaget for elektrostatikken er Coulombs lov fra 1785, som i matematisk form gir et uttrykk for kraftvirkningen mellom to elektriske ladninger, og som har samme matematiske form som Newtons gravitasjonslov.

I 1830-årene utviklet Michael Faraday begrepene elektrisk og magnetisk felt. På grunnlag av Coulombs lov og feltbegrepet utviklet George Green (1793–1841) og Carl Friedrich Gauss (1777–1855) den matematiske teorien for elektrostatikk, som i det vesentlige er teorien om det elektriske potensial.

Fenomenet elektrostatisk induksjon (se nedenfor) ble oppdaget av den engelske fysikeren John Canton i 1753 og den svenske fysikeren Johan Carl Wilcke i 1762 uavhengig av hverandre.

Elektrostatiske krefter mellom to isolerte ladde partikler er beskrevet i Coulombs lov. Den sier at den elektrostatiske kraften mellom partiklene er proporsjonal med produktet av partiklenes ladninger og omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden mellom dem. Kraften virker langs en linje som forbinder partiklene, og er frastøtende hvis ladningene har samme fortegn og tiltrekkende hvis de har motsatt fortegn.

Elektrostatiske fenomener oppstår fra de elektrostatiske kreftene som ladninger utøver på hverandre. Den elektrostatiske kraften er sterk. For eksempel er den elektrostatiske kraften mellom et elektron og et proton er 10³⁶ ganger sterkere enn gravitasjonskraften mellom dem.

Men i motsetning til gravitasjon, hvor alle partikler har positiv masse, finnes det både negativ og positiv ladning. Vanligvis har atomer like mye positiv og negativ ladning. De positive og negative ladningene nøytraliserer hverandre. Dermed blir den elektrostatiske kraften mellom legemer mye svakere. Den skyldes i hovedsak at den positive og negative ladningen er ujevnt fordelt i for eksempel et legemes molekyler. Det gir opphav til svake krefter mellom molekylene som blant annet kan ytre seg som overflatespenning i en væske.

Det kan også oppstå elektrostatiske krefter mellom legemer som har vært i berøring med andre legemer slik at det har oppstått overflateladning på legemene. Hvis for eksempel elektroner, som er negativt ladd, er overført fra den ene overflaten til den andre, vil den ene overflaten ha et overskudd av elektroner og den andre et underskudd. Da vil det være en elektrostatisk tiltrekning mellom overflatene.

Elektrostatiske krefter virker på avstand. Dette kan oppfattes slik at en ladning lager et elektrisk felt som gjør at en ladd partikkel som befinner seg i et elektrisk felt, påvirkes av en elektrisk kraft. Det blir en form for lokal virkning. Dette har betydning for den matematiske beskrivelsen av elektrostatikken. I denne sammenhengen ble også begrepet elektrisk potensial og ekvipotensialflate, det vil si en flate med samme potensial i alle punkter, innført som en analogi til en nivåflate i et tyngdefelt.

Overflaten til et elektrisk ledende legeme danner en ekvipotensialflate der alle punktene på overflaten har samme elektriske potensial. Generelt står ekvipotensialflatene vinkelrett på det elektriske feltet. Dette er illustrert i figuren der et elektrisk felt er avbildet i en situasjon med en positivt ladd partikkel, og tre elektrisk ledende legemer med ulike fasonger befinner seg i nærheten av den ladde partikkelen.

Det elektriske feltet gjør at frie elektroner i lederne vist i figuren trekkes mot feltretningen slik at det blir et overskudd av negativ ladning på den overflaten som vender mot det elektriske feltet og positiv ladning på motsatt side. En slik separasjon av ladning i en leder i et elektrisk felt kalles elektrostatisk induksjon. Dette påvirker det elektriske feltet i området som vist på figuren slik at det elektrostatiske feltet inni lederen forsvinner, og alle punkter i lederen har samme potensial. Siden elektrisk spenning er forskjell i potensial, er det ingen spenning mellom ulike punkter i en elektrisk leder. Dette benyttes i et såkalt faradaybur som er et bur laget av en leder der området inni buret er beskyttet mot elektriske felter.

• elektrisitet
• statisk elektrisitet
• Coulombs lov