Ηλεκτροστατική δύναμη

Οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις μεταξύ των σωματιδίων είναι δυνάμεις έλξης ή απώθησης που προκαλούνται από τα ηλεκτρικά τους φορτία. Η δύναμη Coulomb, γνωστή και ως αλληλεπίδραση Coulomb, πήρε το όνομά της από τον Γάλλο φυσικό Charles-Augustin de Coulomb, ο οποίος την χαρακτήρισε για πρώτη φορά το 1785.  Τα ηλεκτροστατικά φαινόμενα μπορεί να ποικίλλουν από την απλή έλξη του πλαστικού περιτυλίγματος στην παλάμη του ατόμου μετά τη λήψη του από πακέτο για τη φαινομενικά αυθόρμητη έκρηξη των σιλό σιτηρών, τη φθορά των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων κατά την παραγωγή και τη λειτουργία φωτοτυπικών μηχανών και εκτυπωτών λέιζερ. Η συσσώρευση φορτίου στην επιφάνεια των αντικειμένων που προκαλείται από την επαφή με άλλες επιφάνειες είναι γνωστή ως ηλεκτροστατική. Αν και η ανταλλαγή φορτίου συμβαίνει κάθε φορά που δύο επιφάνειες έρχονται σε επαφή και χωρίζονται, τα αποτελέσματά της είναι συνήθως αισθητά μόνο όταν μία από τις επιφάνειες έχει σημαντική σύνθετη αντίσταση στην ηλεκτρική ροή, λόγω των φορτίων που μεταφέρονται παγιδεύονται εκεί για αρκετό καιρό ώστε να έχουν αποτέλεσμα. Αυτά τα φορτία κολλάνε στο αντικείμενο μέχρι να ρέουν στο έδαφος ή να εξουδετερωθούν γρήγορα από μια εκκένωση. Η εξουδετέρωση του φορτίου που συσσωρεύεται στο σώμα μέσω της επαφής με μονωμένες επιφάνειες προκαλεί τα κοινά φαινόμενα ενός στατικού «σοκ».

Τα πρωτόνια δεν κολλάνε στα ηλεκτρόνια:-

Ενώ οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις προσελκύουν πρωτόνια και ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια δεν αφήνουν τον πυρήνα να ενωθεί με τα ηλεκτρόνια επειδή η ισχυρή πυρηνική δύναμη τα δεσμεύει μεταξύ τους και τα νετρόνια. Η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι ουσιαστικά ισχυρότερη από την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, αν και έχει πολύ περιορισμένο εύρος δράσης. Τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο είναι κατά κάποιο τρόπο συγκινητικά αφού τα ηλεκτρόνια έχουν ιδιότητες σωματιδίων και κυμάτων. Επειδή το μήκος κύματος ενός ηλεκτρονίου είναι ισοδύναμο με αυτό ενός ατόμου, τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να πλησιάσουν πιο κοντά από ό,τι τώρα. Η ηλεκτροστατική δύναμη δρα σε απόσταση περίπου του ενός δέκατου της διαμέτρου ενός ατομικού πυρήνα ή 10-16 m. Παρόμοια φορτία απωθούν το ένα το άλλο, ενώ ανόμοια φορτία ελκύουν το ένα το άλλο. Δύο θετικά φορτισμένα πρωτόνια, όπως δύο κατιόντα, δύο αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια ή δύο ανιόντα, απωθούν το ένα το άλλο. Το κατιόν και τα ανιόντα, όπως τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια, έλκονται το ένα από το άλλο.

Συναγώγετε την ηλεκτροστατική δύναμη χρησιμοποιώντας το νόμο του Κουλόμπ:-

Σύμφωνα με το νόμο του Coulomb,

«Η ηλεκτροστατική δύναμη έλξης ή απώθησης μεταξύ δύο σημειακών φορτίων είναι ευθέως ανάλογη με το γινόμενο των μεγεθών τους και αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασής τους.»

Ας υποθέσουμε ότι q1 και q2 είναι τα δύο ηλεκτρικά φορτία και r είναι η απόσταση μεταξύ των κέντρων των δύο φορτίων. Έτσι, η δύναμη του Coulomb, 

F=Kq1q2/r2

K=1/4πξo

Όπου ξo είναι η επιτρεπτότητα του ελεύθερου χώρου

Η τιμή του ξo=8,85410-12C2N-1m-2

Είναι ζωτικής σημασίας να θυμόμαστε ότι η δύναμη μεταξύ δύο φορτίων είναι ανάλογη με το μέγεθός τους και αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασής τους.

Παραδείγματα ηλεκτροστατικής:-

Η ηλεκτροστατική δύναμη μπορεί να παρατηρηθεί με διάφορους τρόπους. Τα ακόλουθα είναι μερικά από αυτά:-

1. Η έλξη του πλαστικού περιτυλίγματος στο χέρι και η επακόλουθη αφαίρεση του χεριού από το περιτύλιγμα.
2. Το τρίψιμο του χαρτιού στα μαλλιά τα προσελκύει σε μια φορτισμένη κλίμακα.
3. Η φαινομενικά τυχαία έκρηξη σιλό σιτηρών.
4. Χρήση φωτοτυπικού και εκτυπωτή λέιζερ.

Παραδείγματα Ηλεκτροστατικής δύναμης στην καθημερινή ζωή:-

1. Ο στατικός ηλεκτρισμός δημιουργείται όταν τα νάιλον ρούχα τρίβονται σε άλλο ύφασμα ή στο δέρμα του χρήστη. Ο θόρυβος που παράγεται κατά την αφαίρεση τέτοιων ρούχων οφείλεται στην ηλεκτροστατική δύναμη που σχηματίζεται μεταξύ του δέρματος και των σωματιδίων του ρούχου. Ένα μαλακτικό υφασμάτων πρέπει να προστεθεί σε ένα νάιλον πανί ενώ πλένεται για να αποφευχθεί η ανάπτυξη στατικών ουσιών.
2. Όταν μια ράβδος βουρτσίζεται με ένα πανί, δημιουργεί ηλεκτρικό φορτίο. Η φύση της ουσίας της ράβδου καθορίζει την πολικότητα του φορτίου. Μια γυάλινη ράβδος δημιουργεί θετικό φορτίο όταν τρίβεται με ένα κομμάτι ύφασμα, αλλά μια πλαστική ράβδος δημιουργεί αρνητικό φορτίο. Μια δύναμη έλξης ή απώθησης παρατηρείται όταν αυτές οι φορτισμένες ράβδοι φέρονται πιο κοντά σε μια ελεύθερα κρεμασμένη μπάλα πομ-πομ. Ως αποτέλεσμα, η ηλεκτροστατική δύναμη βοηθά στην ολοκλήρωση του φορτίου στην μπάλα.
3. Η οθόνη της τηλεόρασης πολώνει τα σωματίδια σκόνης που επιπλέουν ελεύθερα στον αέρα. Ως αποτέλεσμα αυτού, τα φορτισμένα σωματίδια σκόνης κολλάνε στην οθόνη της τηλεόρασης. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, λίγα λεπτά μετά την αφαίρεση του προηγούμενου στρώματος σκόνης, εμφανίζεται μια νέα επίστρωση σκόνης στην οθόνη. Η ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση είναι το όνομα για την αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων σκόνης και της οθόνης. Όταν ένα άτομο μετακινεί την παλάμη του/της λίγα μόνο εκατοστά πάνω από την οθόνη, η ηλεκτροστατική δύναμη γίνεται αμέσως αισθητή.
4. Η ηλεκτροστατική δύναμη αποδεικνύεται καλύτερα κατά τους χειμερινούς μήνες, όταν ο αέρας είναι ξηρός και η υγρασία χαμηλή. Όταν ένα άτομο κινείται, αναπτύσσεται τυχαία ηλεκτροστατική δύναμη μεταξύ του στρώματος του υφάσματος και του δέρματος. Ενδέχεται να ακουστεί ένας θόρυβος όταν αφαιρείτε τα μάλλινα ρούχα. Αυτό συμβαίνει επειδή μια ανταλλαγή φορτίων συμβαίνει όταν τα δύο φορτισμένα σώματα αφαιρούνται το ένα από το άλλο. Το ξηρό δέρμα ενός ατόμου πρέπει να ενυδατώνεται για να αποφευχθεί η συσσώρευση ηλεκτροστατικών φορτίων μεταξύ των ρούχων και του δέρματος.
5. Ένα από τα καλύτερα παραδείγματα ηλεκτροστατικής δύναμης στην πραγματική ζωή είναι ένα φωτοτυπικό ή φωτοαντιγραφικό μηχάνημα. Σε γυάλινη οθόνη τοποθετείται το πρωτότυπο χαρτί. Η εικόνα αυτού του πρωτότυπου χαρτιού μεταφέρεται σε ένα θετικά φορτισμένο τύμπανο. Η σκόνη μελάνης ή το τόνερ που χρησιμοποιείται στις περισσότερες περιπτώσεις έχει αρνητική πολικότητα. Το τύμπανο έρχεται σε επαφή με το χαρτί στο οποίο θα γίνει η εντύπωση. Στη συνέχεια, το μελάνι μεταφέρεται στο χαρτί, με αποτέλεσμα την επιτυχή φωτοτυπία του πρωτότυπου εγγράφου.
6. Το κόλπο για πάρτι με μπαλόνι περιλαμβάνει το τρίψιμο του μπαλονιού στα μαλλιά ενός ατόμου για να εναποθέσει φορτία στην εξωτερική επιφάνεια. Το μπαλόνι προσκολλάται εύκολα σε οποιαδήποτε επιφάνεια με αντίθετο φορτίο ή χωρίς φορτίο αφού αναπτύξει σημαντική ποσότητα φορτίου στην επιφάνειά του. Η ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση είναι ο μόνος τρόπος για να αλληλεπιδράσουν τα δύο σώματα.
7. Έχουμε βάλει κατά λάθος μια σημαντική ποσότητα φόρτισης στα δόντια της χτένας όταν τελειώνουμε το χτένισμα. Όταν αυτή η φορτισμένη χτένα έρχεται σε επαφή με ελαφρύτερα σωματίδια, όπως θραύσματα χαρτιού, τα σωματίδια χαρτιού έλκονται στη χτένα. Η ηλεκτροστατική δύναμη μεταξύ της χτένας και των σωματιδίων χαρτιού αποδεικνύεται καλά σε αυτή τη διαδικασία.
8. Όταν ένα άτομο πλησιάζει τυχαία ένα μεταλλικό πόμολο πόρτας, είναι πιθανό να υποστεί μια σύντομη ηλεκτροπληξία. Η ηλεκτροστατική δύναμη ανάμεσα στο πόμολο της πόρτας και το χέρι του ατόμου είναι ο λόγος πίσω από αυτό. Επειδή είναι κατασκευασμένο από μέταλλο, το πόμολο της πόρτας μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρόνια σε οποιοδήποτε αντικείμενο έρθει σε επαφή με αυτό. Το άλλο σώμα φορτίζεται ως αποτέλεσμα της μεταφοράς ηλεκτρονίων και αναπτύσσεται ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση μεταξύ του πόμολο της πόρτας και του δέρματος. Το να αγγίξετε μια ξύλινη επιφάνεια πριν αγγίξετε το μεταλλικό πόμολο ή λαβή της πόρτας είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για να το αποφύγετε.

Συμπέρασμα:-

Η δύναμη Coulomb ή η αλληλεπίδραση Coulomb είναι ένα άλλο όνομα για την ηλεκτροστατική δύναμη. Είναι η δύναμη που έλκει ή απωθεί δύο ηλεκτρικά φορτισμένα πράγματα. Παρόμοια φορτία απωθούν το ένα το άλλο, ενώ φορτία που είναι ανόμοια ελκύουν το ένα το άλλο. Η ισχύς της δύναμης μεταξύ δύο φορτίων υπολογίζεται χρησιμοποιώντας το νόμο του Coulomb. Ο νόμος του Coulomb είναι κρίσιμος στη χημεία και τη φυσική επειδή περιγράφει τη δύναμη μεταξύ ατόμων, ιόντων, μορίων και μερών μορίων. Η δύναμη έλξης ή απώθησης μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων ή ιόντων μειώνεται όσο μεγαλώνει η απόστασή τους, καθιστώντας τη δημιουργία ενός ιοντικού δεσμού λιγότερο επιθυμητή. Η ενέργεια των φορτισμένων σωματιδίων αυξάνεται καθώς πλησιάζουν το ένα στο άλλο, καθιστώντας τον ιοντικό δεσμό πιο πλεονεκτικό.