Elektrostatik Nedir?

Elektrostatik soruları kq/d2 formülü ile çözülür. Formüldeki birimlerin temsil ettiği ifadeler şunlardır:

• k: coulomb sabiti
• q: yük
• d: uzaklık

Elektrostatiğin Coulomb Kanunu için önemi, Coulomb Yasası’nı açıklamaya yardımcı olmasıdır. Coulomb yasası, "İki nokta yük arasındaki elektrostatik çekim veya itme kuvvetinin büyüklüğü, yüklerin büyüklüklerinin çarpımı ile doğru orantılı ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır." der.

Elektrostatiğin bir özelliği olarak elektrik alanı, yükün pozisyonuna bağlıdır. Noktasal bir yük tarafından üretilen elektrik alanı parçacığa olan uzaklığın karesiyle azalır. Elektrik alanı süperpozisyon ilkesine uyar. Eğer birden fazla noktasal kaynak varsa herhangi bir noktadaki toplam elektrik alanı bu noktasal kaynakların o noktada tek başına ürettiği elektrik alanların vektörel toplamıdır.

Gauss yasası, herhangi bir kapalı yüzeyden başlayan elektrik akısının, yüzey yoluyla çevrelenen net basınçtan vakumun geçirgenliğine kadar olduğunu belirtir. Gauss yasası, elektrik yükünün dağılımını ve ortaya çıkan elektrik alanını ilişkilendirir.

Elektrostatiğin köşe taşlarından biri de Poisson Denklemleri ile açıklanan problemlerin çözümünü ortaya atıp çözmektir. Poisson denklemi, Coulomb yasası ve Gauss teoreminden türetilmiştir. Elektrostatik, fizikte geniş kullanım alanı olan kısmi bir diferansiyel denklemdir.

Laplace Denklemi, elektrostatiğin üç boyutlu problemlerinde de kullanılabilir. Elektrostatikte eşlenmemiş elektrik yükünün yokluğunda, Laplace denklemi kullanılır. Bu durumda aşağıdaki formül kullanılır:

∇2 ϕ= 0

Elektrostatik yakınsamanın geçerliliği elektrik alanın döndürülemez olması kabul edilmesine bağlıdır.

∇ x E= 0

Faraday Yasası göz önünde bulundurulduğunda, bu kabullenim zamanla değişen manyetik alanın yokluğunu veya yokluğa yakınlığını ima eder:

 ∂B/ ∂t =0

Başka bir deyişle elektrostatik, manyetik veya elektrik alanının yokluğuna ihtiyaç duymaz, daha çok, manyetik ve elektrik alanının varlığına fakat zamanla değişmemesine veya en kötü durumda, zamanla çok az değişmesine ihtiyaç duyar. Bazı problemlerde, elektrostatiğin ve manyetostatikin her ikisi de doğru öngörüler için gereklidir, fakat birbiri arasındaki eşleşme hâlen yoksayılabilir.

Elektrik potansiyeli, birim yükü bir referans noktasından alan içinde belirli bir noktaya ivmelenmeden hareket ettirmek için yapılan iş miktarıdır. Elektrostatik potansiyel ayrıca elektrik alan potansiyeli olarak da bilinir, elektrik potansiyeli veya potansiyel düşüş olarak tanımlanır.

Elektrik alanı döndürülemez olduğundan, elektrik alanı bir skaler fonksiyonun gradyanı olarak gösterilebilir. Bu skaler fonksiyona elektrostatik potansiyel (voltaj olarak da bilinir) denir.

Triboelektrik etki (triboelektrik şarj olarak da bilinir), belirli malzemelerin temas halinde oldukları farklı bir malzemeden ayrıldıktan sonra elektriksel olarak yüklendiği bir tür temaslı elektrifikasyondur. (Elektrifikasyon, elektrikle güç sağlama sürecidir ve birçok bağlamda, bu tür bir gücün daha önceki bir güç kaynağından değiştirilerek devreye sokulmasıdır.) Günlük statik elektriğin çoğu triboelektriktir.

Elektrostatik jeneratör veya elektrostatik makine, statik elektrik veya yüksek voltaj ve düşük sürekli akımda elektrik üreten elektromekanik bir jeneratördür. Elektrostatik jeneratörler, mekanik işi elektrik enerjisine dönüştürmek için manuel güç kullanarak çalışır.

Elektrostatik jeneratörler, yalnızca elektrik kuvvetleri kullanarak iki iletkene verilen zıt işaretli elektrostatik yükler geliştirir ve elektrik yükünü yüksek potansiyelli bir elektrota taşımak için hareketli plakalar, tamburlar veya kayışlar kullanarak çalışır. Yük, iki yöntemden biriyle üretilir. Bunlar ya triboelektrik etki (sürtünme) ya da elektrostatik indüksiyondur.

Elektrostatik boya, spreyi oluşturan boya parçacıklarına bir elektrik yükü indükleyerek metal bir alt tabakayı verimli bir şekilde kaplamak için kullanılan ve boyanın metalin zıt yüklü yüzeyine yapışmasına neden olan bir sprey kaplama türüdür.

Bir püskürtme tabancası, elektrostatik boyayı küçük damlacıklardan oluşan ince bir sprey halinde atomize etmek ve boyayı püskürtme tabancasının kafasından (ucu) geçmeye zorlamak için basınçlı hava kullanır. Damlacıklara pozitif bir yük verilir. Pozitif yüklü damlacıklar, işlem sırasında negatif yüklü olan metal alt tabakaya çekilir. Elektrostatik boya, birçok imalat sürecinde kullanılır. Elektrostatik boyanın kullanıldığı alanlar şunlardır:

• Çelik kapı imalatı
• Bisiklet üretimi
• Beyaz eşya sanayi
• Tarım araçları imalatı
• Elektrik panosu imalatı
• Panel radyatör imalatı
• Makine sanayi
• Alüminyum sanayi
• Otomotiv sanayi

Elektrostatik kuvvetler, elektrik yüklerinin neden olduğu parçacıklar arasındaki çekici veya itici kuvvetlerdir. Bu kuvvet aynı zamanda Coulomb kuvveti veya Coulomb etkileşimi olarak da adlandırılır. 1785 yılında elektrostatik kuvveti tanımlayan Fransız fizikçi Charles-Augustin de Coulomb için bu şekilde adlandırılmıştır.

Elektrik kuvveti uzaktan hareket üretmektedir. Yüklü nesneler dokunmadan birbirlerini etkileyebilir. 𝑞1 ve 𝑞2 yüklerinin başlangıçta temassız olduğunu varsayılsın. Bu iki yük arasında oluşan kuvvet, elektriksel kuvvettir. Elektrostatik kuvvet formülünde r, 𝑞1 nokta yükü ile 𝑞2 nokta yükleri arasındaki mesafedir. Elektrostatik formülü aşağıdaki gibidir:

𝐹= k|𝑞₁𝑞₂|/𝑟²

𝐹: Newton (N) olarak elektriksel itme ya da çekme kuvvetinin büyüklüğü

𝑞𝑖: Elektrik yükü SI birim sisteminde Coulomb (C)

𝑟: Noktasal iki yük arasındaki mesafe

𝑘: Elektrostatik sabit

Elektrostatik çözümlü örnek sorular aşağıdaki gibidir:

Örnek 1: Pozitif bir q yükü, başka bir yüke -2q ve - 0.20 N büyüklüğünde bir kuvvet uygular. Aralarındaki mesafe 50 cm'ye eşitseher bir yükün büyüklüğünü bulun. (k=9.10⁹)

Çözüm 1: 50 cm, 0,5 metreye eşittir.

r = 0.5 m , F = -0.20 N olarak soruda verilmiştir.

-0,20 = k(q)(-2q)/(0,5)² 

-0.20= -2q²k / 0.5²

q²= 0.20 × 0.5²/(2k)

q= √ [ (0.20 × 0.5²/(2 × 9.10⁹) ] = 1.66 × 10^-6 C

q= 1.66 × 10^-6 C ise -2q= -3.23 × 10^-6 C olarak elde edilir.

Örnek 2: Aralarında d mesafesi bulunan, büyüklükleri eşit, ancak zıt işaretlere sahip iki özdeş nesne, birbirlerine -2,5 N'luk bir çekim kuvveti uygular. Aralarındaki mesafe 2d olursa, bu nesneler birbirlerine ne kadar kuvvet uygular?

Çözüm 2: İki yük zıt işaretlere sahip olduğu için q ve -q olsun. Bir d mesafesi ile ayrılan q ve -q'nun birbirine uyguladığı kuvvetin büyüklüğü Coulomb yasası ile verilir.

F = k(q)(- q)/d² = -kq²/d² = -2.5 N

Aralarında 2d mesafesi bulunan q ve -q'nun birbirine uyguladığı F₂ kuvvetinin büyüklüğü Coulomb yasası ile verilir.

F² = k(q)(-q)/(2d)² = -kq²/4d² = F/4 = -2.5/4 = -0.625 N

Örnek 3: İki yükün sisteminde 5,0 J büyüklüğünde bir elektrik potansiyel enerjisine sahip olmak için + 5,6×10^-4 C ve -6.3×10^-4 C'lik iki yükü birbirinden hangi mesafe ayırmalıdır?

Çözüm 3: Bir r mesafesi ile ayrılan q₁ ve q₂ iki yükten oluşan bir sistemin elektrik potansiyel enerjisinin Ep'nin büyüklüğü şu şekilde verilir:

Ep = k |q₁q₂|/r

r mesafesi için çözülürse aşağıdaki sonuç elde edilir.

r= kq₁q₂/E_p = 9.10⁹ x 5,6.10^-4 x 6,3.10^-4 / 5.0 = 6.35×10² m