Elektrostatik (electrostatics)

Elektrostatik (statik elektrik veya durgun elektrik), hareket etmeyen (akım halinde olmayan) elektrik yüklerinin özelliklerini ve davranışını açıklayan bir fizik dalıdır.

Eski devirlerden beri kehribar gibi bazı maddelerin sürtünmeden sonra bazı hafif maddeleri çektiği bilinir. Yunanca kehribar (amber, elektron) elektrik kelimesinin kaynağıdır. Elektrostatik elektrik yüklerinin birbirine kuvvet uygulamasından doğar, Coulomb yasası ve Gauss yasası ile incelenir. Elektrostatiksel olarak oluşturulan kuvvetin zayıf olduğu düşünülse de, hidrojen atomundaki elektron ile proton arasındaki elektrostatik kuvvet, kütleçekim kuvvetinin büyüklük olarak 40 katıdır.

Elektrostatik fenomeni elinizle plastik ambalaj kağıdını çıkarırken hissettiğiniz çekimden, tahıl ambarlarının kendiliğinden patlamalarına, fotokopi makinasının çalışması kadar basit örnekler içerir.

Elektrostatik, bir yüzeyin başka bir yüzeyle temas etmesi sonucu yüklerin bir yüzeyde birikmesine yol açar. Yük değiş tokuşu yüzeylerin birbirine her temas edişinde gerçekleşmesine rağmen etkisi, sadece yüzeylerden birinin elektrik akımı için daha yüksek dirence sahip olduğunda görülür. Çünkü yüksek dirençli yüzeyden gelecek veya yüzeye girecek yükler kendi etkilerinin görünebilmesi için daha az veya daha çok süre orada kalacaktır. Bu yükler toprağa boşalana kadar veya aniden deşarj ile nötür hale gelene kadar objenin üzerinde kalacaktır.

Coulomb Kanunu

Elektrostatiğin temel denklemi iki yük arasındaki kuvveti açıklayan Coulomb kanunudur. İki yük Q₁ ve Q₂ arasındaki elektrostatik kuvvetin büyüklüğü yüklerin büyüklüklerinin çarpımı ile doğru, yarıçapı yükler arası uzaklığa eşit olan kürenin yüzey alanı ile ters orantılıdır:

        Q₁ Q₂

F = ¾¾¾¾

      4 p r² e₀

ε₀: dielektrik sabitidir,

          1     _def.

e₀ = ¾¾¾  =  8.854 187 817 x 10^-12  

          m₀ c₀²

e₀ birimi: A²s⁴ kg^-1m⁻³  veya  C²N⁻¹m⁻²  veya  Fm⁻¹ (A: amper, N: Newton, C: Coulomb)

Herhangi bir noktada tanımlanan elektrik alan (volt/metre) o noktadaki birim yüke etkiyen kuvvet olarak tanımlanır:

F = q E

Noktasal yükün (Q) oluşturduğu elektrik alanın (E) büyüklüğü:

                Q

E (r) = ¾¾¾¾

           4 p r² e₀

Hacim yük yoğunluğu  r(r’) verilmiş olan belirli bir yük dağılımı tarafından oluşturulan elektrik alanı bir vektör fonksiyonunun üçlü integrali ile bulunabilir:

               1                r – r’

E (r) = ¾¾¾ ∫∫∫ ¾¾¾¾ r (r’) d³ r’

           4 p e₀          ||r – r’||³

Gauss Yasası

Gauss yasasına göre, ‘herhangi kapalı bir yüzeyden geçen toplam elektrik akısı o yüzeyin içindeki elektriksel yük ile doğru orantılıdır’. Matematiksel olarak Gauss Yasası integral formda gösterilebilir:

∮_S e₀ E.dA = ∫_V r.dV

Diferensiyal eşitlik:

Ñ. e₀ E = r       (Ñ: diverjans operatörüdür)

Laplace Denklemi

Eşleşmemiş elektriksel yük bulunmadığı durumda (yani bütün negatif ve pozitif yükler eşleştiğinde, veya hiçbir yük bulunmadığında net yük 0 olduğu durumda) denklem Laplace Denklemine indirgenir:

Ѳ f = 0

Elektrostatik Yakınsama

Elektrostatik yakınsamanın geçerliliği elektrik alanın döndürülemez olması kabulüne bağlıdır:

Ñ x E = 0

Faraday yasası göz önünde bulundurulduğunda bu kabul zamanla değişen magnetik alanın yokluğuna veya yokluğa yakınlığına işaret eder:

 ¶B

¾¾ = 0

 ¶t

Başka bir deyişle, Elektrostatik magnetik veya elektrik alanının yokluğuna ihtiyaç duymaz, daha çok, magnetik ve elektrik alanın var olmasına, fakat zamanla değişmemesine, veya en kötü durumda, zamanla çok az değişmesine ihtiyaç duyar.

Elektrostatik potansiyel

Elektrik alan döndürülemez olduğundan, elektrik alanı bir skaler fonksiyonun gradyanı olarak gösterilebilir. Bu skaler fonksiyona elektrostatik potansiyel (voltaj) denir. Yüksek bir potansiyelden düşük bir potansiyele geçen noktalarda elektrik alan E matematiksel olarak aşağıdaki eşitlikle gösterilebilir:

E = –Ñ f

Herhangi bir noktadaki elektriksel potansiyel, birim yükü sonsuzdan herhangi bir başka noktaya getirmek için kullanılan enerji olarak tanımlanır.

Elektrik yükleri ve elektrostatik alan (Şekil): Pozitif yükün (+) yakınındaki elektrostatik alan (okla belirtilen çizgiler) hareketli yüklerin iletken objelerde elektrostatik indüklenme sonucu ayrılmasına neden olur. Negatif yükler (mavi) çekim sonucu dışarıdan gelen yüklerle yüzleşen yüzeye doğru hareket ederken, pozitif yükler (kırmızı) itilme sonucu yüzü diğer tarafa çevrili yüzeye hareket eder. Bu indüklenmiş yüzey yükleri dışarıdan gelen elektrik alanını etkisiz hale getirir. Dolayısıyla elektrostatik alan iletken cismin içinde her yerde 0 iken elektrostatik potansiyel sabittir.

Elektrik yükleri ve elektrostatik alanın şematik çizimi

https://tr.wikipedia.org/wiki/Elektrostatik

1 Eylül 2019

GERİ (fizik)

GERİ (klasik fizik)