ไฟฟ้าสถิตย์

สถิตยศาสตร์ไฟฟ้า (อังกฤษ: electrostatics) เป็นสาขาหนึ่งของวิชาฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์และคุณสมบัติของประจุไฟฟ้าที่นิ่งหรือเคลื่อนไหวช้า

เนื่องจากฟิสิกส์แบบคลาสสิก เป็นที่รู้กันว่าวัสดุบางอย่างเช่นอำพันสามารถดูดอนุภาคน้ำหนักเบาหลังจากมีการขัดถูกัน ในภาษากรีกคำว่าอัมพัน ήλεκτρον หรือ อิเล็กตรอน electron เป็นที่มาของคำว่า 'ไฟฟ้า' ปรากฏการณ์ไฟฟ้าสถิตเกิดขึ้นจากแรงที่ประจุไฟฟ้ากระทำต่อประจุไฟฟ้าอื่น แรงดังกล่าวจะอธิบายได้ตามกฎของคูลอมบ์

แม้ว่าแรงนี้จะถูกเหนี่ยวนำให้เกิดโดยไฟฟ้าสถิต มันดูเหมือนจะค่อนข้างอ่อนแอ ยกตัวอย่างเช่นแรงไฟฟ้​​าสถิตระหว่างอิเล็กตรอนหนึ่งตัวและโปรตอนหนึ่งตัวที่รวมกันขึ้นเป็นอะตอมไฮโดรเจนมีความอ่อนแอ แต่ก็แข็งแกร่งมากกว่าประมาณ 36 แมกนิจูดเป็นเลขสิบยกกำลัง (10-36) เท่าของแรงโน้มถ่วงที่กระทำระหว่างพวกมัน

มีตัวอย่างมากมายของปรากฏการณ์ไฟฟ้าสถิต จากพวกที่ง่ายมากเช่นการดึงดูดห่อพลาสติกให้ติดกับมือของคุณหลังจากที่คุณรื้อมันออกจากแพคเกจ และการดึงดูดกระดาษที่ติดกับตาชั่งที่มีประจุ จนถึงการระเบิดที่เกิดขึ้นเองที่เห็นได้ชัดของไซโลข้าว ความเสียหายของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในระหว่างการผลิต และการทำงานของเครื่องถ่ายเอกสารและเครื่องพิมพ์เลเซอร์ ไฟฟ้าสถิตเกี่ยวข้องกับการสะสมของประจุบนพื้นผิวของวัตถุเนื่องจากการสัมผัสกับพื้นผิวอื่น แม้ว่าการแลกเปลี่ยนประจุจะเกิดขึ้นเมื่อไรก็ตามที่สองพื้นผิวใด ๆ สัมผัสกันและแยกจากกัน ผลกระทบของการแลกเปลี่ยนประจุมักจะสังเกตเห็นได้เฉพาะเมื่ออย่างน้อยหนึ่งของพื้นผิวมีความต้านทานไหลของไฟฟ้​​าที่สูง นี้เป็นเพราะประจุที่ถ่ายโอนไปยังหรือมาจากพื้นผิวที่มีความต้านทานสูงจะถูกติดกับมากหรือน้อยอยู่ที่นั่นเป็นเวลานานพอจนมีการสังเกตเห็นผลกระทบนั้น จากนั้นประจุเหล่านี้ยังคงอยู่บนวัตถุจนกว่าพวกมันจะถ่ายเทออกลงดินหรือถูกทำให้เป็นกลางอย่างรวดเร็วโดยปลดปล่อยประจุ: เช่นปรากฏการณ์ที่คุ้นเคยของ 'การช็อก' ไฟฟ้าสถิตที่มีสาเหตุมาจากการวางตัวเป็นกลางของประจุที่สร้างขึ้นในร่างกายจากการสัมผัสกับพื้นผิวที่หุ้มฉนวน

ผลกระทบไทรโบอิเล็กตริกเป็นประเภทหนึ่งของการผลิตไฟฟ้าจากการสัมผัส ในการนี้วัสดุบางอย่างจะเกิดประจุไฟฟ้าขึ้นบนผิวหน้าชองมันเมื่อมันถูกนำเข้ามาสัมผัสกับวัสดุที่แตกต่างกันและจากนั้นก็ถูกแยกออกจากกัน หนึ่งในวัสดุนั้นจะได้ประจุบวกมาและอีกวัสดุหนึ่งจะได้ประจุลบมาในปริมาณที่เท่ากัน ขั้วและความแข็งแรงของประจุที่ผลิตขึ้นจะแตกต่างกันตามวัสดุ, พื้นผิวที่ขรุขระ, อุณหภูมิ, ความเครียด, และคุณสมบัติอื่น ๆ ตัวอย่างเช่น อำพันสามารถได้รับประจุไฟฟ้าจากการเสียดสีกับอีกวัสดุหนึ่งเช่นขนสัตว์ คุณสมบัตินี้ ที่บันทึกไว้เป็นครั้งแรกโดยธารีสแห่งไมลิตัส เป็นปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าแรกที่ตรวจสอบโดยมนุษย์ ตัวอย่างอื่น ๆ ของวัสดุที่สามารถได้รับประจุอย่างมีนัยสำคัญเมื่อถูเข้าด้วยกัน ได้แก่ แก้วถูกับผ้าไหม และยางแข็งถูด้วยขนสัตว์

การปรากฏตัวของความไม่สมดุลของประจุผิวหมายความว่าวัตถุที่จะแสดงพลังดูดหรือพลังผลัก ความไม่สมดุลของประจุผิวนี้ ซึ่งทำให้เกิดไฟฟ้าสถิต สามารถสร้างขึ้นโดยแตะพื้นผิวที่แตกต่างกันสองชนิดเข้าด้วยกันแล้วแยกพวกมันออกจากกันเนื่องจากปรากฏการณ์ของการสร้างไฟฟ้าจากการสัมผัสและผลกระทบของไทรโบอิเล็กตริก การถูวัตถุไม่นำไฟฟ้าสองชนิดจะสร้างไฟฟ้าสถิตย์จำนวนมาก นี้ไม่ใช่แค่เพียงผลจากแรงเสียดทานเท่านั้น สองพื้นผิวไม่นำไฟฟ้าสามารถถูกประจุแค่เพียงถูกวางไว้ด้านบนของวัตถุอื่น เนื่องจากพื้นผิวส่วนใหญ่จะมีเนื้อหยาบ มันจะใช้เวลานานจะประสบความสำเร็จในการประจุโดยผ่านการสัมผัสมากกว่าผ่านการถู การถูวัตถุเข้าด้วยกันจะเพิ่มปริมาณของการสัผัสแบบกาวระหว่างสองพื้นผิว โดยปกติฉนวนไฟฟ้าเช่นสารที่ไม่นำไฟฟ้า จะดีทั้งการสร้างและจับยืดประจุผิว ตัวอย่างบางส่วนของสารเหล่านี้ได้แก่ยาง, พลาสติก, แก้ว, และไส้ไม้ วัตถุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเท่านั้นที่สร้างความไม่สมดุลของประจุได้ยาก ยกเว้นตัวอย่างเช่นเมื่อพื้นผิวโลหะหนึ่งได้รับผลกระทบโดยสารไม่ใช่ตัวนำที่เป็นของแข็งหรือของเหลว ประจุที่ถูกถ่ายโอนในระหว่างการสร้างไฟฟ้าโดยสัมผัสจะถูกเก็บไว้บนพื้นผิวของแต่ละวัตถุ เครื่องกำเนิดไฟฟ้านิ่งเป็นอุปกรณ์ที่ผลิตแรงดันไฟฟ้าสูงมากที่กระแสต่ำมากและใช้สำหรับการสาธิตการสอนในชั้นเรียนฟิสิกส์ มันจะพึ่งพาผลกระทบนี้

โปรดทราบว่าการปรากฏตัวของกระแสไฟฟ้าจะไม่หันเหไปจากแรงไฟฟ้​​าสถิตหรือจากประกายไฟ จากการปล่อยโคโรนา หรือปรากฏการณ์อื่น ๆ ทั้งสองปรากฏการณ์สามารถดำรงอยู่พร้อมกันในระบบเดียวกัน

ปรากฏการณ์ไฟฟ้าสถิตตามธรรมชาติที่คุ้นเคยมากที่สุดได้แก่การแกล้งเป็นครั้งคราวในฤดูกาลความชื้นต่ำ แต่สามารถเป็นตัวทำลายและเป็นอันตรายในบางสถานการณ์ เมื่อทำงานในการติดต่อโดยตรงกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์รวม (โดยเฉพาะ MOSFETs ที่ละเอียดอ่อน) หรือในการปรากฏตัวของก๊าซไวไฟ ความระมัดระวังจะต้องมีเพื่อหลีกเลี่ยงการสะสมและการปล่อยประจุอย่างทันทีทันใดของประจุนิ่ง (ดูการปลดปล่อยไฟฟ้าสถิต)

การเหนี่ยวนำประจุเกิดขึ้นเมื่อวัตถุที่มีประจุลบตัวหนึ่งผลักอิเล็กตรอน (ที่มีประจุลบ) ให้ออกไปจากพื้นผิวของวัตถุที่สอง นี่จะสร้างภูมิภาคหนึ่งในวัตถุที่สองที่เป็นประจุบวกมากขึ้น จากนั้นแรงดึงดูดจะกระทำระหว่างวัตถุทั้งสอง ตัวอย่างเช่นเมื่อบอลลูนถูกถู บอลลูนจะติดกับผนังเมื่อแรงดึงดูดเข้ากระทำโดยสองพื้นผิวที่มีประจุตรงกันข้าม (พื้นผิวของผนังจะได้รับประจุไฟฟ้าเนื่องจากการเหนี่ยวนำประจุ เมื่ออิเล็กตรอนอิสระที่พื้นผิวของ ผนังถูกผลักโดยบอลลูนที่เป็นลบ ทำให้พื้นผิวผนังเป็นบวก ซึ่งต่อมาก็ดึงดูดเข้ากับพื้นผิวของบอลลูน) คุณสามารถสำรวจผลกระทบด้วยการจำลองของ balloon and static electricity.

ก่อนปี 1832 เมื่อไมเคิล ฟาราเดย์ได้ตีพิมพ์ผลการทดลองของเขาเกี่ยวกับตัวตนของไฟฟ้า นักฟิสิกส์คิดว่า "ไฟฟ้านิ่ง" (อังกฤษ: static electricity) จะแตกต่างจากประจุไฟฟ้าอื่นไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง แต่ไมเคิล ฟาราเดย์ได้พิสูจน์ว่าไฟฟ้าที่ถูกเหนี่ยวนำจากแม่เหล็ก, ไฟฟ้าของนายโวลตาที่ผลิตโดยแบตเตอรี่, และไฟฟ้านิ่ง ทั้งหมดนี้เหมือนกัน

ไฟฟ้านิ่งมักจะเกิดขึ้นเมื่อวัสดุบางอย่างถูกัน เช่นขนสัตว์บนพลาสติกหรือพื้นรองเท้าบนพรม กระบวนการนี้ทำให้อิเล็กตรอนถูกดึงออกจากพื้นผิวของวัสดุหนึ่งและย้ายไปอยู่บนพื้นผิวของอีกวัสดุหนึ่ง

การช็อคนิ่งจะเกิดขึ้นเมื่อพื้นผิวของวัสดุที่สองถูกประจุให้เป็นลบด้วยอิเล็กตรอน สัมผัสกับตัวนำที่มีประจุบวก หรือในทางกลับกัน

ไฟฟ้านิ่งนิยมใช้ทั่วไปในการถ่ายเอกสาร ตัวกรองอากาศและบางสีสำหรับยานยนต์ ไฟฟ้านิ่งเป็นการสะสมประจุไฟฟ้าบนวัตถุสองชิ้นที่ได้ถูกแยกออกจากกัน ชิ้นส่วนไฟฟ้าขนาดเล็กอาจเสียหายจากไฟฟ้านิ่ง ผู้ผลิตชิ้นส่วนจำนวนมากจะใช้อุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้านิ่งหลายอย่างเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้

เมื่อวัสดุที่แตกต่างกันถูกนำมาอยู่ด้วยกันแล้วแยกจากกัน การสะสมของประจุไฟฟ้าสามารถเกิดขึ้นได้ซึ่งปล่อยให้วัสดุหนึ่งมีประจุบวกในขณะที่อีกวัสดุหนึ่งกลายเป็นประจุลบ ช็อคเบา ๆ ที่คุณได้รับเมื่อสัมผัสกับวัตถุที่ลงดินหลังจากที่เดินบนพรมเป็นตัวอย่างหนึ่งของประจุไฟฟ้าส่วนเกินที่สะสมในร่างกายของคุณจากการประจุจากความเสียดทานระหว่างรองเท้าและพรมของคุณ การสะสมประจุที่สร้างขึ้นบนร่างกายคุณสามารถสร้างการปลดปล่อยประจุไฟฟ้าที่รุนแรง แม้ว่าการทดลองกับไฟฟ้านิ่งอาจจะสนุก ประกายไฟที่คล้ายกันอาจสร้างอันตรายอย่างรุนแรงในอุตสาหกรรมที่ทำงานกับสารไวไฟที่ประกายไฟฟ้าขนาดเล็กอาจจุดประกายไฟให้กับส่วนผสมระเบิดที่มีผลกระทบร้ายแรง

กลไกการประจุที่คล้ายกันสามารถเกิดขึ้นได้ภายในของเหลวการนำไฟฟ้าต่ำที่ไหลผ่านเส้นท่อ-กระบวนการที่เรียกว่าการไฟฟ้าโดยไหล (อังกฤษ: flow electrification) ของเหลวที่มีการนำไฟฟ้าต่ำ (ต่ำกว่า 50 picosiemens ต่อเมตร) จะถูกเรียกว่าตัวสะสม ของเหลวที่มีการนำไฟฟ้าสูงกว่า 50 pS/m จะเรียกว่าตัวไม่สะสม ในตัวไม่สะสม ประจุทั้งหลายกลับมาเป็นกลางเร็วเท่าที่พวกมันถูกแยกออกจากกันและดังนั้นการสร้างประจุไฟฟ้าสถิตจึงไม่ได้มีนัยสำคัญ ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี 50 pS/m คือค่าการนำไฟฟ้าต่ำสุดที่แนะนำสำหรับการกำจัดประจุจากของเหลวที่เพียงพอ

แนวคิดที่สำคัญสำหรับของเหลวฉนวนเป็นเวลาผ่อนคลายแบบคงที่ นี้จะคล้ายกับค่าคงที่เวลา (tau) ภายในวงจร RC สำหรับวัสดุฉนวน มันเป็นอัตราส่วนของค่าคงที่ไดอิเล็กตริกนิ่งหารด้วยการนำไฟฟ้าของวัสดุ สำหรับของเหลวไฮโดรคาร์บอน บางครั้งนี่ถูกประมาณโดยหารตัวเลข 18 ด้วยการนำไฟฟ้าของของเหลว ดังนั้นของเหลวที่มีการนำไฟฟ้าเท่ากับ 1 pS/ซม. (100 pS/m) จะมีเวลาผ่อนคลายประมาณ 18 วินาที ประจุส่วนเกินภายในของเหลวจะถูกกระจายไปเกือบสมบูรณ์หลังจาก 4-5 เท่าของเวลาผ่อนคลายหรือ 90 วินาทีสำหรับของเหลวในตัวอย่างข้างต้น

ประจุจะถูกผลิตเมื่อของเหลวมีความเร็วสูงขึ้นและเพิ่มขึ้นตามขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของท่อที่ใหญ่ขึ้น กลายเป็นค่อนข้างมีนัยสำคัญในท่อขนาด 8 นิ้ว (200 มิลลิเมตร) หรือใหญ่กว่า การผลิตประจุนิ่งในระบบเหล่านี้จะถูกควบคุมที่ดีที่สุดโดยจำกัดความเร็วของของเหลว มาตรฐานอังกฤษ BS PD CLC/TR 50404:2003 (เดิม BS-5958-Part 2) รหัสของการปฏิบัติสำหรับควบคุมไฟฟ้านิ่งที่ไม่พึงประสงค์ใช้กำหนดขีด จำกัดความเร็ว เพราะผลกระทบขนาดใหญ่ของมันต่อค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ความเร็วแนะนำสำหรับของเหลวไฮโดรคาร์บอนมีน้ำเป็นส่วนประกอบควรจะถูกจำกัดที่ 1 เมตร/วินาที

การเชื่อมแบบบอนดิ้งและการลงดินเป็นวิธีปกติที่ใช้ป้องกันประจุสะสมได้ สำหรับของเหลวที่มีการนำไฟฟ้าต่ำกว่า 10 pS/m การเชื่อมแบบบอนดิ้งและการลงดินจะไม่เพียงพอสำหรับกระจายประจุ และสารป้องกันไฟฟ้าสถิตอาจจำเป็น

การเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตถูกใช้ในอดีตเพื่อสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงดันสูงที่รู้จักกันเป็นเครื่องที่มีอิทธิพล องค์ประกอบหลักที่เกิดในช่วงเวลาเหล่านี้คือตัวเก็บประจุ การเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตยังใช้สำหรับการตกตะกอนหรือการยิงวิถีโค้งด้วยไฟฟ้ากลศาสตร์ ในเทคโนโลยีดังกล่าวอนุภาคขนาดเล็กที่มีประจุจะถูกเก็บรวบรวมหรือฝากไว้อย่างจงใจบนพื้นผิว การประยุกต์ใช้งานจะมีช่วงจากตัวตกตะกอนไฟฟ้าสถิตจนถึงการพิมพ์แบบสเปรย์หรือเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ท เมื่อเร็ว ๆ นี้เทคโนโลยีการถ่ายโอนพลังงานไร้สายใหม่ได้มีพื้นฐานมาจากการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตระหว่างไดโพลสั่นที่ห่างไกลด้วยกัน