Elektryczność statyczna wiąże się z nagromadzeniem ładunków elektrycznych na obiekcie. Ładunki te pozostają nieruchome, czyli statyczne, w przeciwieństwie do zjawiska przepływu prądu elektrycznego, który opisuje przemieszczanie się ładunków.
Skąd się biorą ładunki?
Ładunek obiektu może być dodatni lub ujemny w zależności od przewagi ładunków dodatnich lub ujemnych w naelektryzowanym obiekcie. Każdy naelektryzowany obiekt zbudowany jest z atomów, natomiast każdy atom budują dodatnio naładowane protony i nienaładowane, neutralne elektrycznie neutrony. Protony i neutrony zlokalizowane są w centralnej, środkowej części atomu, w jego jądrze. Wokół jądra zlokalizowane są ujemnie naładowane, zmieniające lokalizację i posiadające pęd cząstki o ujemnym ładunku — elektrony.
W pozbawionym ładunku elektrycznego, czyli obojętnym elektrycznie atomie liczba protonów i elektronów jest sobie równa, a dokładniej liczba ładunków dodatnich i ujemnych jest sobie równa, równoważąc się. Taki atom nie wykazuje ani ładunku dodatniego, ani ujemnego. Gdy w atomie wystąpi przewaga ładunku ujemnego, czyli nadmiar elektronów, atom będzie charakteryzować ładunek ujemny, a w przypadku niedoboru elektronów, czyli nadmiaru protonów atom charakteryzować będzie ładunek dodatni. Podsumowując, rodzaj ładunku elektrostatycznego obiektu zależy od przewagi ładunku atomów budujących ten obiekt.
Ładunki nie mogą zostać stworzone ani zniszczone, mogą się przemieszczać. Mówi o tym Prawo zachowania ładunku. W zamkniętym układzie suma ładunków pozostaje stała.
Materiały mogą ulec naelektryzowaniu w wyniku przemieszczenia się elektronów z jednego obiektu na drugi w wyniku:
- tarcia materiałów o siebie,
- zetknięcia się materiałów,
- indukcji elektrostatycznej.
Przewodniki i izolatory
Niektóre materiały mają skłonność do gromadzenia ładunków na swojej powierzchni i są to izolatory, inne materiały nie gromadzą ładunków, ale rozprowadzają je równomiernie wewnątrz swojej struktury i są to przewodniki. Różnica wynika ze skłonności do swobodnego przemieszczania się elektronów wewnątrz ciała materiału i jego struktury zbudowanej z atomów. Atomy w izolatorach wykazują silnie przyciąganie elektrostatyczne pomiędzy jądrem a elektronami, natomiast elektrony w ciele przewodnika mogą się swobodnie przemieszczać w granicach materiału.
Przewodniki nie elektryzują się tak dobrze jak izolatory, ponieważ natura swobodnych elektronów wewnątrz ich struktury dąży do równomiernego rozkładu ładunku wewnątrz całego materiału przewodnika. Tutaj nagromadzenie ładunku szybko ulega rozproszeniu lub przepływa do uziemienia. Przewodniki świetnie przewodzą prąd elektryczny. Przykładami przewodników są:
- metale — miedź, aluminium, złoto, srebro
- grafit
- roztwory elektrolitów — soli lub kwasów
Izolatory i przewodniki wykazują zjawisko elektroujemności. Im większa elektroujemność tym materiały silniej przyciągają elektrony, a więc chętniej elektryzują się ujemnie. Im mniejsza elektroujemność materiału, tym łatwiej materiał elektryzuje się dodatnio, pomimo że przewodniki również wykazują elektroujemność, jest ona niższej wartości niż w przypadku izolatorów. Izolatory stosuje się w celach ochronnych przed porażeniem prądem, ponieważ nie przewodzą one prądu i mogą stanowić barierę dla przepływu prądu pomiędzy przewodnikiem a organizmem człowieka np. w różnego rodzaju izolacjach. Przykładami izolatorów są:
- plastik
- szkło
- polimery o gumiastych właściwościach
- powietrze
- papier
Zwarcie i uziemienie
Tendencją elektronów w przewodniku jest skłonność ich przepływu w kierunku uziemienia, ziemi. Ziemia może zgromadzić ogromne ilości ładunków, w praktyce bez żadnych konsekwencji. Dzięki uziemieniu minimalizujemy ryzyko porażenia prądem, z powodu nagromadzenia się ładunku, ponieważ ładunek odpłynie do uziemienia, a nie przez nasz organizm. Uziemia się gniazdka w mieszkaniach, piorunochrony i różnorodne maszyny elektryczne. Uziemienie może dotyczyć izolatorów i przewodników, choć izolatory z racji swojej natury utrzymywania się ładunków na ich powierzchni i nieprzemieszczania się ich, uziemić jest trudniej.
W wyniku przebicia w obwodzie elektrycznym np. przewodu może dojść do:
- naelektryzowania izolacji przewodu – wówczas zabezpieczeniem jest uziemienie, które odprowadzi nagromadzenie ładunku do ziemi,
- porażenia prądem,
- skrócenia ścieżki odpływu prądu w obwodzie w wyniku kontaktu miejsca przebicia ze tą ścieżką, czyli zwarciem.
W wyniku zwarcia może dojść do:
- przepływu prądu o zbyt dużym natężeniu skutkującym stopieniem, uszkodzeniem izolacji, uszkodzeniem podzespołów elektronicznych, uszkodzeniem źródła prądu,
- pożaru,
- wyłączenia obwodu na skutek aktywacji bezpieczników, należy jednak pamiętać, że zanim prąd o wysokim natężeniu dotrze do bezpiecznika i nastąpi przerwanie obwodu, może przepłynąć przez wrażliwe na wysoki amperaż podzespoły elektroniczne, powodując ich uszkodzenie.