Elektrostatik
Elektrostatik, Durgun elektrik yüklerinin özelliklerini inceleyen bilim dalı. Aslında, durgun elektrik yükleri tam anlamıyla hareketsiz değil, belli bir ısıl çalkantının etkisi altında olduklarından, elektrostatiği, elektrik biliminin yüklü taneciklerin birbiriyle etkileşmesini inceleyen dalı diye tanımlamak daha doğru olur.
Elektrostatik ve elektrik: 1800 yılına kadar, kararlı ve düzenli akım sağlayacak bir elektrik aracı geliştirilemedi. Ancak o tarihte İtalyan fizikçisi Alessandro Volta, günümüzdekilerin öncüsü sayılan Volta pilini buldu. Bu üretecin ve ondan geliştirilen benzer aygıtların yapılmaları sonucunda, bilim adamları ilk kez, hareketli yüklerin etkisini inceleme olanağı buldular. XIX. yy'ın sonlarına doğru James Clerk Maxwell, elektromagnetizma yasalarını ortaya koymayı başardı.
Volta pilinden önce, elektrik olaylarının incelenmesi, elektrostatikle sınırlı kalıyordu (bir başka deyişle 1800 yıllarından önce elektriğin tarihçesi, bütünüyle elektrostatiğin tarihçesinden oluşur). "Elektriklenme" denilen olay (sözgelimi, bir tarağın saça sürüldükten sonra kâğıt parçalarını çekmesi), İ.Ö. VI. yy'da eski Yunan filozofu Thales tarafından bulunmuş, Thales, amberin, bir yere sürtülmesi sonucunda küçük cisimleri çekebildiğini belirtmiştir (elektron sözcüğü, Yunanca "amber" anlamına gelen elektron sözcüğünden türetilmiştir).
Elektrostatik, yüklü güçler arasında itme ve çekme kuvvetlerinin ikisini de kapsar: Aynı türden yükler birbirini iter; ayrı türden yükler birbirini çeker. Sözgelimi, iki elektron arasında itici bir güç vardır. Oysa atomda, eksi yüklü eletronlar ile artı yüklü protonlar(çekirdekte) arasındaki çekme kuvveti, atomun bir arada tutulmasını sağlayan en büyük etkendir. Elektrostatik güç, bu anlamda, evrenin tutucusu ya da yapıştırıcısı olarak düşünülebilir. Kütle çekimi gücü, elektrostatik güçten çok daha zayıftır.
Elektrik yükü: Elektrostatikte (ve elektrikte) en önemli yüklü tanecikler, eksi yük taşıyan elektronlardır. Elektrik yükü birimi coulombdur ve tıpkı kütle, zaman, uzunluk gibi, temel birim ya da boyutlardan biridir. Bir elektron,
1,6x10/-19 coulombluk eksi yük taşır. Elektrondan aşağı yukarı 2 000 kez daha büyük olan proton da, aynı nicelikte, ama artı yük taşır.
Akan elektronlardan oluşan elektrik akımı, amperle ölçülür ve iletken bir ortamdan, bir saniyede bir coulomb'un geçmesi biçiminde tanımlanır. Her elektronun ancak çok küçük yük taşıdığı düşünülürse, devreden saniyede geçen elektron sayısının çok büyük olduğu anlaşılır: Yaklaşık altı milyon kez milyon kez milyon.
Not: Elektrostatik güç, benzer yüklü iki topun birbirini itmesini sağlarken, karşıt yüktekilerin birbirini çekmesine yol açar.
Van de Graaff jeneratöründe, elektrik yükleri bir fırçadan, dönen kayışa aktarılır. Fırçanın keskin uçları eksi gerilimde tutulur. Yükler, ayrı bir fırçada toplanıp, büyük kürenin yüzeyine aktarılır: Burada çok yüksek bir gerilim birikir.
Elektrostatik güç: Yüklü tanecikler ya da kütleler arasındaki çekme ve itme güçlerini tanımlayan matematik bağıntı, "Coulomb yasası" diye adlandırılır. Bu bağıntıda gücün büyüklüğü, kütlelerin her birinin taşıdığı yüke, bunların arasındaki uzaklığa ve içinde bulundukları ortamın özelliğine bağlıdır. Bu özellik "geçirgenlik" diye adlandırılır.
Söz konusu bağıntının matematiksel gösteriliş biçiminde elektrostatik güç, iki yüklü kütle arasındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olduğundan, bu eşitlik ters kare yasalarından biridir. Başka bir deyişle, kütleler arasında uzaklık iki katına çıkarılırsa, elektrostatik güç dört kat azalacaktır.
Elektrostatik alan: Görünüşte hiçbir bağ olmamasına karşılık, iki yüklü tanecik arasında bir elektrostatik güç oluştuğundan, fizikte, bu iki yüklü tanecikten her birinin, öteki tarafından üretilen bir elektrostatik güç alanı içinde bulunduğunu varsaymak yararlı olur. Her yüklü taneciğin çevresinde bir elektrik alanı bulunduğunda söz edilir. Yüklü tanecikten dışarı doğru her yönde ve tekdüze olarak yayılan güç alanı, bir kütlenin çevresini saran birçok eşmerkezli küre olarak düşünülebilir. Kürenin yüzeyi üstünde, elektrik yükünün etkisi aynıdır; ama kütleden uzaklaşıldıkça, bu etki giderek azalır.
Kuramsal olarak güç alanı, uzay içinde sonsuza kadar uzanabilir. Bununla birlikte uygulamada, ters kare yasasının yapısı gereği, yüklü bir taneciğin çevresindeki elektrostatik alan, kütleden biraz uzaklaşınca hızla azalır. Söz gelimi, çekirdekten birkaç atom çapı uzakta bulunan elektron, çekirdeğe çok düşük bir güçle çekilir. Artı yüklü atom çekirdeği çevresinde böyle bir alanın bulunması, yörüngedeki elektronların davranışlarını belirler.
Potansiyel ve gerilim: Çekim alanındaki bir kütle, bu alan içindeki yerine bağlı olarak, bir potansiyel enerji taşımaktadır. Bu kütle düşmeye bırakılırsa, taşıdığı potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşür; kütle de giderek hız kazanır. Aynı biçimde, elektrostatik bir alanda bulunan yüklü bir kütlenin, bu alan içindeki yerine göre bir potansiyeli vardır. Sözgelimi, artı yüklü bir kütle çevresinde, büyüklüğü kütle üstündeki yüke bağlı olan bir elektrostatik güç alanı bulunur. Bu alan içindeki herhangi bir noktanın potansiyeli, sonsuz uzaklıktaki artı yüklü birim kütleyi bu noktaya getirebilmek için gereken enerji niceliğiyle tanımlanabilir. Bu, kütle çekimi potansiyeliyle de bağdaştırabilir; çünkü artı yüklü birim kütle, hareketi sağlayacak potansiyel taşımaktadır. Bulunduğu yerden kurtulabilseydi, üstündeki itici gücün etkisiyle uçup gidecek ve sonsuzda ilk potansiyeline eşdeğer bir kinetik enerji kazanacaktı. Alan içindeki iki nokta arasındaki potansiyel farkı ya da gerilim, artı yüklü birim taneciği bir noktadan ötekine taşımak için gereken enerji niceliğiyle ölçülür.
Uygulamalar: Elektrostatikten çok çeşitli aygıtlarda yararlanılmaktadır. Elektrik ve elektronik devrelerde sık sık kullanılan kondansatörler, elektrodinamiğin bir uygulaması olmalarına karşın, gerçekte elektrostatik araçlardır. Elektrik yükleri, kondansatörden geçemez, ama kondansatörün levhaları üstünde toplanırlar. Elektrostatik alanındaki en eski buluşlardan biri, çalışma ilkesi çağdaş kondansatörlere benzeyen Leyden şişesidir. Bu aygıt, iç ve dış yüzeyi ince metalle kaplı yalın bir cam şişeden oluşur. İyi bir yalıtkan olan cam, dielektrik görevi yapar; dolayısıyla, metal tabakanın bir yüzünün, "elektriklenmiş" bir cisme değdirilmesi, elektrik yüklerinin metal üstünde depolanmasına yol açar.
1787'de bulunan altın yapraklı elektroskop da, hem kuramsal bakımdan, hem de uygulama açısından yalın bir aygıttır. İletken bir çubuğu asılmış iki küçük altın yapraktan oluşur. Çubuk, genellikle çok ince ve kısadır. Çubuğun öbür ucuna metal bir levha tutturulmuş ve bu levhanın altında kalan bölümün tümü, kapalı bir cam koruyucu içine alınmıştır. Yüklü bir cisim (söz gelimi bir kumaşa sürtülmüş cam çubuk), bu levhaya değdirilirse, elektrik yükü, metal çubuktan yapraklara doğru akar. Böylece altın yapraklar, aynı türden elektrik yükü kazanır ve aynı işaretli yükler birbirini iteceğinden ayrılırlar. Yapraklar arasındaki ayrılma niceliği, kabaca yükün büyüklüğünü gösterir. Metal levha ve çubuktan yapraklara ne kadar yük taşınırsa, itici güç de, o kadar büyük olacaktır. Cam koruyucu elektrik yüklerinin havaya dağılmasını önlediğinden (çünkü yalıtkandır), elektroskopta da yük birikimi oluşur.
XIX. yy'da elektrofor ve Wimshurst makinesi gibi, elektrostatik yük üretip depolayabilen daha ileri laboratuvar aygıtları geliştirilmiştir. Etkili ve güvenilir yük kaynakları olan bu aygıtlar, cam ya da plastik bir çubuğu kumaşa sürtmekten çok daha iyi sonuç verirler. Ancak temel ilkeleri aynıdır: Sürtünmeyle elektriklenme.
Elektrostatik makinelerin en gelişmişi Van de Graaff jeneratörüdür. Yalıtkan temel üstünde yükselen bir sütunun tepesine yerleştirilmiş büyük bir metal küreden oluşur. Sütunun içinde sürekli dönen bir kayış bulunur; ancak, kayışın yapıldığı malzeme, hem elektrik yüklerini üstüne toplama, hem de bunları yükleyici jeneratörden alıp metal küreye aktarabilme özelliği taşır. Kuramsal olarak herhangi bir yalıtkan, kayış olarak kullanılabilir; ama uygulamada, genellikle kauçuklu malzemeler yeğlenmektedir. Metal kürenin büyüklüğü, yüzeyinde büyük miktarda yük toplanabileceğini ve toprağa oranla milyonlarca voltluk bir potansiyel farkı oluşacağını gösterir. Bu yüksek gerilim, çoğunlukla tanecik hızlandırıcılarında kullanılarak, yüksek hızlı elektron demetleri elde edilir. Elektron demetleri, altın ve tungsten gibi hedeflere çarptırıldıklarında, X ışınlarının yayılmasına neden olurlar. X ışınlarından da, kanser hücrelerinin tedavisinde, ameliyat aygıtlarının mikroptan arındırılmasında, nükleertepkimelerin incelenmesinde, vb. yararlanılır.