Statik Elektrik — Yüklenme, Coulomb Yasası ve Örnekler

Statik elektrik, bir cisim üzerinde birikip kararlı bir akım olarak akmayan elektrik yüküdür. Bir balonun duvara yapışabilmesini, kurutucudaki kıyafetlerin çıtırtı çıkarmasını ve halıda yürüdükten sonra kıvılcım hissetmenizi açıklar.

Günlük hayattaki çoğu katıda, kullanışlı model elektronların bir maddeden diğerine hareket etmesidir. Bir cisim elektron kazanırsa negatif yüklü olur. Elektron kaybederse pozitif yüklü olur.

Statik Elektrik Nasıl Oluşur

Temas ve Ayrılma

Statik elektrik örneklerinin çoğu, iki maddenin temas edip sonra ayrılmasıyla başlar. Bu süreçte bazı elektronlar bir yüzeyden diğerine geçebilir. Sürtünme, teması artırdığı için etkiyi güçlendirebilir; ancak yükü yoktan var etmez.

İletim

Yüklü bir cisim başka bir cisme dokunursa, yük doğrudan temas yoluyla hareket edebilir. Sonrasında iki cisim yükü paylaşabilir; ancak sonuç maddelere ve cisimlerden herhangi birinin topraklanmış olup olmamasına bağlıdır.

Etki ile Elektriklenme

Yakındaki yüklü bir cisim, temas etmeden de başka bir cismin içindeki yüklerin yeniden düzenlenmesine neden olabilir. Tek başına etki ile elektriklenme genellikle kalıcı bir net yük değil, yük ayrışması oluşturur. Uygun koşullarda topraklama eklenirse, etki ile elektriklenme cisim üzerinde net bir yük bırakabilir.

Statik Yük İçin Coulomb Yasası

Statik elektrik, durgun yükleri inceleyen elektrostatik alanının bir parçasıdır. Temel kuvvet yasası Coulomb yasasıdır.

Vakumdaki iki noktasal yük için,

$$F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$$

burada $F$ kuvvetin büyüklüğü, $q_1$ ve $q_2$ yükler, $r$ aralarındaki uzaklık ve $k \approx 8.99 \times 10^9\ \mathrm{N \cdot m^2/C^2}$ sabitidir.

Bu formül kuvvetin büyüklüğünü verir. Yüklerin işaretleri ise yönü belirler:

• aynı işaretli yükler birbirini iter
• zıt işaretli yükler birbirini çeker

Coulomb yasası, yükler noktasal yük gibi ele alınabildiğinde doğrudan uygulanır. Balon veya duvar gibi gerçek cisimlerde yük bir yüzeye yayılmıştır; bu yüzden tam kuvvet daha karmaşıktır. Yine de yasa temel deseni verir: daha büyük yükler daha büyük kuvvetler üretir ve uzaklık iki katına çıkarsa kuvvet dört kat azalır.

Çözümlü Örnek: İki Yük Arasındaki Kuvvet

İki küçük yüklü kürenin yüklerinin şu olduğunu varsayalım:

• $q_1 = 40\ \mathrm{nC} = 40 \times 10^{-9}\ \mathrm{C}$
• $q_2 = -20\ \mathrm{nC} = -20 \times 10^{-9}\ \mathrm{C}$
• $r = 5.0\ \mathrm{cm} = 0.050\ \mathrm{m}$

Kuvvetin büyüklüğünü bulun ve çekici mi yoksa itici mi olduğuna karar verin.

Coulomb yasasıyla başlayın:

$$F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$$

Değerleri yerine yazın:

$$F = (8.99 \times 10^9)\frac{|(40 \times 10^{-9})(-20 \times 10^{-9})|}{(0.050)^2}$$

Yükleri çarpın:

$$|q_1 q_2| = 8.0 \times 10^\{-16\}\ \mathrm\{C^2\}$$

Uzaklığın karesini alın:

$$r^2 = 2.5 \times 10^{-3}\ \mathrm{m^2}$$

Şimdi kuvveti hesaplayın:

$$F = (8.99 \times 10^9)\frac{8.0 \times 10^{-16}}{2.5 \times 10^{-3}} \approx 2.9 \times 10^{-3}\ \mathrm{N}$$

Buna göre kuvvetin büyüklüğü yaklaşık $2.9\ \mathrm{mN}$ olur. Yüklerin işaretleri zıt olduğu için kuvvet çekicidir.

Buradaki temel fikir ters kare bağıntısıdır. Yükler aynı kalırken uzaklık iki katına çıksaydı, kuvvet dörtte bire düşerdi.

Yüklü Bir Balon Neden Duvara Yapışır?

Bir balonu saça veya kumaşa sürttüğünüzde, balona yük aktarılabilir. Bu yüklü balonu bir duvara yaklaştırırsanız, duvarın içindeki yükler hafifçe yer değiştirir. Bu kutuplanma, duvarın bütünü elektriksel olarak nötr kalsa bile net bir çekim oluşturabilir.

Bu örnek, günlük hayattaki statik elektriğin çoğu zaman yalnızca iki yalıtılmış noktasal yükten değil, hem yük aktarımından hem de yüklerin yeniden düzenlenmesinden kaynaklandığını gösterir.

Statik Elektrikte Sık Yapılan Hatalar

• Sürtünmenin yükü yoktan oluşturduğunu söylemek. Genellikle maddeler arasında yük aktarımına yardımcı olur.
• Günlük katılarda hareketli yüklerin çoğunlukla elektronlar olduğunu unutmak.
• Coulomb yasasını, her gerçek cisim noktasal yükmüş gibi kullanmak.
• Nanokulon veya santimetreyi SI birimlerine çevirirken birimleri göz ardı etmek.
• Etki ile elektriklenmenin her zaman kalıcı bir net yük bıraktığını sanmak. Bunun için genellikle ayrıca topraklama gerekir.

Statik Elektriğin Kullanım Alanları

Statik elektrik; fotokopi makinelerinde, lazer yazıcılarda, elektrostatik filtrelerde, toz boyamada ve bazı endüstriyel ayırma süreçlerinde önemlidir. Elektronik cihazlarla çalışırken de önemlidir; çünkü elektrostatik boşalma, kıvılcım fark edilemeyecek kadar küçük olsa bile hassas bileşenlere zarar verebilir.

Nem de önemlidir. Kuru havada yük yüzeylerde daha uzun süre kalma eğilimindedir; bu yüzden statik etkiler genellikle daha kolay fark edilir.

Benzer Bir Coulomb Yasası Sorusu Deneyin

Çözümlü örnekteki aynı yükleri koruyun, ancak uzaklığı $0.050\ \mathrm{m}$ yerine $0.10\ \mathrm{m}$ yapın. Hesap makinesi kullanmadan önce yeni kuvveti bulun, sonra ters kare sonucunun sezginizle uyuşup uyuşmadığını kontrol edin.