Electrostática

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Virutas de papel atraídos por un CD cargado

Electrostática es la rama de la física que se ocupa de los fenómenos y propiedades de las fijas o de movimiento lento (sin aceleración) las cargas eléctricas .

Desde la antigüedad clásica , se sabe que algunos materiales como el ámbar atraen partículas ligeras después de frotar . El griego la palabra para el ámbar, ???????? electrón, fue el origen de "electricidad" de la palabra. Un fenómeno electrostático, surgen de las fuerzas que las cargas eléctricas ejercen entre sí. Dichas fuerzas son descritas por la ley de Coulomb . A pesar de que las fuerzas electrostáticas inducidas parecen ser más bien débil, la fuerza electrostática entre, por ejemplo un electrón y un protón , que en conjunto constituyen una de hidrógeno átomo , es de aproximadamente 40 órdenes de magnitud más fuerte que la gravedad fuerza que actúa entre ellos.

Un fenómeno electrostático, incluyen muchos ejemplos tan simples como la atracción de la envoltura de plástico a su lado después de sacarlo de un paquete, a la explosión aparentemente espontánea de los silos de grano, a los daños de los componentes electrónicos durante la fabricación, para el funcionamiento de fotocopiadoras. Electrostática implica la acumulación de carga en la superficie de los objetos debido al contacto con otras superficies. Aunque el intercambio de carga ocurre cuando dos superficies de contacto y por separado, los efectos de intercambio de carga son por lo general sólo se nota cuando al menos una de las superficies tiene una alta resistencia a la corriente eléctrica. Esto se debe a las acusaciones de que la transferencia hacia o desde la superficie de alta resistencia son más o menos atrapados allí durante un tiempo lo suficientemente largo para que sus efectos se observan. Estos cargos luego permanecer en el objeto hasta que o bien purgar la tierra o son rápidamente neutralizados por una descarga : por ejemplo, el conocido fenómeno de una estática 'shock' es causada por la neutralización de la carga acumulada en el cuerpo del contacto con superficies no conductoras .

Contenido

[ editar ] Conceptos fundamentales

[ editar ley] de Coulomb

La fundamental la ecuación de la electrostática es la ley de Coulomb , que describe la fuerza entre dos cargas puntuales . La magnitud de la fuerza electrostática entre dos cargas eléctricas Q 1 y 2 Q es directamente proporcional al producto de las magnitudes de cada carga e inversamente proporcional a la superficie de una esfera cuyo radio es igual a la distancia entre las cargas:

F = \ frac {Q_1Q_2} {4 \ pi r ^ 2 \ varepsilon_0} \,

donde ? 0 es una constante llamada permitividad del espacio libre , un valor definido:

\ Varepsilon_0 \ \ stackrel {\ mathrm {def }}{=} \ \ frac {1} {\ {mu_0 c_0} ^ 2} = 8,854 \ 187 \ 817 \ \ times 10 ^ {-12} en un 2 s 4 kg -1 m -3 o C 2 N -1 m -2 o C m -1.

[ editar ] El campo eléctrico

El campo eléctrico (en unidades de voltios por metro) en un punto se define como la fuerza (en newtons ) por unidad de carga (en coulombs ) por un cargo en ese momento:

\ Vec {E} = \ frac {\ vec {F}} {q}. \,

A partir de esta definición y la ley de Coulomb, se deduce que la magnitud del campo eléctrico E creado por una carga puntual Q es único:

E (\ vec r) = \ frac {Q} {4 \ pi \ r ^ 2 \ varepsilon_0}.

El campo eléctrico producido por una distribución de las cargas dadas por el volumen de densidad de carga \ Rho (\ vec r) se obtiene mediante una integral triple de una función vectorial:

\ Vec E (\ vec r) = \ frac {1} {4 \ pi \ epsilon_0} \ iiint \ frac {\ vec r - \ vec r} {\ left \ | \ vec r - \ vec r \ derecho \ | ^ 3} \ rho (\ vec r) \, \ operatorname {d} ^ 3 r '.

[ editar ley] de Gauss

La ley de Gauss establece que "el flujo eléctrico total a través de una superficie cerrada es proporcional al total de la carga eléctrica encerrada dentro de la superficie ".

Matemáticamente, la ley de Gauss toma la forma de una ecuación integral:

\ Oint_S \ vec {E} \ cdot \ mathrm {d} \ vec {A} = \ int_V {\ rho \ sobre \ varepsilon_0} \ cdot \ mathrm {d} V.

Por otra parte, en forma diferencial, la ecuación se convierte en

\ Vec {\ nabla} \ cdot \ vec {E} = {\ rho \ sobre \ varepsilon_0}.

donde \ Vec {\ nabla} \ cdot es el operador de divergencia .

[ editar ecuación] Poisson

La definición de potencial electrostático, combinada con la forma diferencial de la ley de Gauss (arriba), ofrece una relación entre el potencial ? y la densidad de carga ?:

{\ Nabla} ^ 2 \ phi = - {\ rho \ sobre \ varepsilon_0}.

Esta relación es una forma de la ecuación de Poisson . Donde {\ Varepsilon_0} es la permitividad de vacío.

[ editar ecuación] Laplace

En ausencia de carga eléctrica sin pareja, la ecuación se convierte en

{\ Nabla} ^ 2 \ phi = 0,

que es la ecuación de Laplace .

[ editar ] La aproximación electrostática

La validez de la aproximación electrostática se basa en el supuesto de que el campo eléctrico es irrotacional :

\ Vec {\ nabla} \ times \ vec {E} = 0.

De la ley de Faraday , este supuesto implica la ausencia o la ausencia casi de variables en el tiempo los campos magnéticos:

{\ Partial \ vec {B} \ sobre \ partial t} = 0.

En otras palabras, la electrostática no requiere la ausencia de campos magnéticos o corrientes eléctricas. Por el contrario, si los campos magnéticos o corrientes eléctricas existen, no debe cambiar con el tiempo, o en el peor de los casos, tienen que cambiar con el tiempo muy lentamente. En algunos problemas, tanto de la electrostática y magnetostática puede ser necesaria para poder realizar predicciones exactas, pero el acoplamiento entre los dos todavía pueden ser ignorados.

[ editar ] potencial electrostático

El campo electrostático (líneas con flechas) de una carga cercana positivo (+) hace que los gastos de telefonía móvil en que objetos separados debido a la inducción electrostática . Las cargas negativas (azul) se sienten atraídos y se mueven a la superficie del objeto frente a la carga externa. Las cargas positivas (rojo) se repelen y se mueven a la superficie de espaldas. Estas cargas superficiales inducidas son exactamente el tamaño y la forma por lo que su campo eléctrico opuesto anula el campo eléctrico de la carga externa en todo el interior del metal. Por lo tanto, el campo electrostático en todas partes dentro de un objeto conductor es cero, y el potencial electrostático es constante.

Debido a que el campo eléctrico es irrotacional, es posible expresar el campo eléctrico como el gradiente de una función escalar, llamada potencial electrostático (también conocida como la tensión ). Un campo eléctrico, E, los puntos de las regiones de alto potencial, ?, a regiones de bajo potencial, expresado matemáticamente como

\ Vec {E} = - \ vec {\ nabla} \ phi.

El potencial electrostático en un punto puede ser definida como la cantidad de trabajo por unidad de carga necesario para mover una carga desde el infinito hasta el punto dado.

[ editar ] serie triboeléctrica

El efecto triboeléctrica es un tipo de electrificación de contacto en el cual ciertos materiales se cargan de electricidad cuando se ponen en contacto con un material diferente y separado después. Uno de los materiales adquiere una carga positiva, y la otra adquiere una carga negativa igual. La polaridad y la fuerza de los cargos producidos difieren de acuerdo a los materiales, la rugosidad de la superficie, temperatura, tensión, y otras propiedades. Ámbar, por ejemplo, puede adquirir una carga eléctrica por la fricción de un material como la lana. Esta propiedad, registró por primera vez por Tales de Mileto , fue el primer fenómeno eléctrico investigado por el hombre. Otros ejemplos de materiales que pueden adquirir una carga significativa cuando se frotan entre sí son de vidrio frotada con seda, y el caucho duro se frota con la piel.

[ editar ] generadores electrostáticos

La presencia de la superficie de carga desequilibrio significa que los objetos se exhiben fuerzas de atracción o repulsión. Este desequilibrio de carga superficial, lo que produce la electricidad estática, pueden ser generados por el contacto de dos superficies diferentes entre sí y luego los separan debido a los fenómenos de la electrificación de contacto y el efecto triboeléctrica . Frotar dos objetos no conductores genera una gran cantidad de electricidad estática. Esto no es sólo el resultado de la fricción, dos superficies no conductoras pueden cargarse con sólo estar colocados uno encima del otro. Como la mayoría de las superficies tienen una textura áspera, se tarda más en alcanzar la carga a través del contacto que a través de roce. Frotar los objetos al mismo tiempo aumenta la cantidad de adhesivo de contacto entre las dos superficies. Por lo general, los aisladores , por ejemplo, las sustancias que no conducen electricidad, son buenos, tanto en la generación y explotación, una superficie de carga. Algunos ejemplos de estas sustancias son de caucho , plástico , vidrio , y la médula . conductiva objetos raramente generan desequilibrio de la carga, excepto, por ejemplo, cuando una superficie metálica se ve afectada por no conductores sólidos o líquidos. La carga que se transfiere durante la electrificación de contacto se almacena en la superficie de cada objeto. estática generadores eléctricos , dispositivos que producen muy alta tensión en corriente muy baja y se utiliza para demostraciones de física en el aula, se basan en este efecto.

Tenga en cuenta que la presencia de la corriente eléctrica no va en detrimento de las fuerzas electrostáticas, ni de las chispas, de la descarga de corona , o de otros fenómenos. Ambos fenómenos pueden existir simultáneamente en el mismo sistema.

Ver también: máquinas de fricción , máquinas de Wimshurst , y generadores de Van de Graaf .

[ editar ] neutralización de la carga

Natural fenómenos electrostáticos son más familiares como una molestia ocasional en épocas de baja humedad, pero pueden ser destructivos y dañinos en algunas situaciones (por ejemplo, fabricación de productos electrónicos). Cuando se trabaja en contacto directo con la electrónica integrada de circuitos (especialmente delicado MOSFETs ), o en la presencia de gases inflamables, se debe tener cuidado para evitar la acumulación y de repente el desempeño de una carga estática (ver descarga electrostática ).

[ editar ] Carga por inducción

Inducción de cargo se produce cuando un objeto con carga negativa repele los electrones de la superficie de un segundo objeto. Esto crea una región en el segundo objeto que está más cargado positivamente. Una fuerza de atracción es entonces ejerce entre los objetos. Por ejemplo, cuando un globo se frota el globo se pega a la pared como una fuerza de atracción es ejercida por dos superficies con cargas opuestas (la superficie de la pared adquiere una carga eléctrica debido a la inducción de carga, como los electrones libres en la superficie de el muro son repelidos por el globo negativo, creando una superficie de pared positiva, que posteriormente se atraídas a la superficie del globo). Usted puede explorar el efecto con una simulación del globo y la electricidad estática.

[ editar ] 'estática' de electricidad

Antes del año 1832, cuando Michael Faraday publicó los resultados de su experimento sobre la identidad de electricidades, los físicos pensaron "electricidad estática" de alguna manera era diferente de otras cargas eléctricas. Michael Faraday demostró que la electricidad inducida por el imán, la electricidad fotovoltaica producida por una batería, y la electricidad estática son todas iguales.

La electricidad estática es por lo general se produce cuando ciertos materiales se frotan unos contra otros de lana, como el plástico o las suelas de los zapatos en la alfombra. El proceso hace que los electrones se retiró de la superficie de un material y se trasladó en la superficie del otro material.

Una descarga estática se produce cuando la superficie del segundo material, con carga negativa con los electrones, toca un conductor con carga positiva, o viceversa.

La electricidad estática se utiliza comúnmente en la xerografía , filtros de aire , y algunas pinturas para automoción. La electricidad estática es la acumulación de cargas eléctricas en dos objetos que se han separado unos de otros. Pequeños componentes eléctricos pueden dañarse fácilmente por la electricidad estática. Los fabricantes de componentes utilizan una serie de dispositivos antiestáticos para evitar esto.

[ editar ] La electricidad estática y la industria química

Cuando los materiales diferentes se unen y separan a continuación, una acumulación de carga eléctrica puede ocurrir lo que deja un material cargado positivamente, mientras que el otro se carga negativamente. El choque leve que aparece al tocar un objeto conectado a tierra después de caminar en la alfombra es un ejemplo de exceso de carga eléctrica se acumula en el cuerpo de la carga de fricción entre los zapatos y la alfombra. El cargo resultante acumulación en el cuerpo puede generar una descarga eléctrica fuerte. A pesar de experimentar con la electricidad estática puede ser divertido, chispas similares crean graves riesgos en las industrias que tratan con sustancias inflamables, donde una pequeña chispa eléctrica puede encender una mezcla explosiva con consecuencias devastadoras.

Un sistema de cobro similar puede ocurrir dentro de los fluidos de baja conductividad que fluye a través de tuberías-un proceso conocido como la electrificación de flujo. Los líquidos que tienen una conductividad eléctrica baja (por debajo de 50 picosiemens por metro, donde picosiemens por metro es una medida de la conductividad eléctrica), se llaman acumuladores. Los líquidos que tienen conductividades superiores a 50 pS / m se denominan no-acumuladores. En no acumuladores, los cargos se recombinan tan rápido como se separan y por lo tanto, la generación de carga electrostática no es significativa. En la industria petroquímica, de 50 pS / m es el valor mínimo recomendado de la conductividad eléctrica para la eliminación adecuada de la carga de un fluido.

Un concepto importante para los fluidos de aislamiento es el tiempo de relajación estática. Esto es similar a la constante de tiempo (tau) dentro de un circuito RC . Para materiales de aislamiento, es la relación entre la estática constante dieléctrica , dividido por la conductividad eléctrica del material. Para los líquidos de hidrocarburos, esto es a veces aproximada dividiendo el número 18 de la conductividad eléctrica del fluido. Así, un líquido que tiene una conductividad eléctrica de 1 pS / cm (100 pS / m) tendrá un tiempo de relajación estimado de unos 18 segundos. El exceso de carga dentro de un fluido se disipó casi por completo después de 4 a 5 veces el tiempo de relajación, o 90 segundos para que el líquido en el ejemplo anterior.

La generación de carga aumenta a velocidades de fluido más alto y mayor diámetro de la tubería, llegando a ser muy importantes en las tuberías de 8 pulgadas (200 mm) o mayor. Generación de carga estática en estos sistemas se controla mejor mediante la limitación de la velocidad del fluido. La norma británica BS PD CLC / TR 50404:2003 (anteriormente BS-5958-Parte 2) Código de Prácticas para el Control de Electricidad Estática adversas establece los límites de velocidad. Debido a su gran impacto en la constante dieléctrica, la velocidad recomendada para los líquidos de hidrocarburos que contienen agua debe limitarse a 1 m / s.

Unión y puesta a tierra son las formas habituales mediante el cual se puede prevenir la acumulación de carga. Para fluidos con una conductividad eléctrica inferior a 10 pS / m, la unión y puesta a tierra no son adecuados para disipación de las cargas y aditivos antiestáticos puede ser necesaria.

[ editar ] De acuerdo a normas

1.BS PD CLC / TR 50404:2003 Código de Prácticas para el Control de Electricidad Estática adversas

2.NFPA 77 (2007) Práctica recomendada para electricidad estática

3.API RP 2003 (1998) Protección contra igniciones causadas por estática, relámpagos y corrientes errantes

[ editar ] Inducción electrostática en aplicaciones comerciales

El principio de inducción electrostática se ha aprovechado para efecto beneficioso en la industria por muchos años, comenzando con la introducción de sistemas de pintura electrostática industrial para la aplicación económica e incluso de esmalte y pinturas de poliuretano de bienes de consumo, incluidos automóviles, bicicletas y otros productos.

[ editar ] Véase también

General

[ editar ] Referencias

[ editar ] Para leer más

Ensayos
Libros

[ editar ] Enlaces externos

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