חשמל סטטי מתייחס בדרך כלל להצטברות מטענים חשמליים על פני השטח של עצם כלשהו. זאת תופעה הנוצרת כתוצאה מחוסר איזון בין המטענים החשמליים החיוביים לבין המטענים החשמליים השליליים בחומר. כתוצאה מחוסר איזון זה, נוצר מתח חשמלי בחומר. כאשר יש עודף של מטענים חשמליים חיובים (עודף של יונים חיוביים), החומר טעון במתח חשמלי חיובי. כאשר יש עודף מטענים שליליים (עודף של אלקטרונים, או יונים שליליים), החומר טעון במתח חשמלי שלילי.
חשמל סטטי נוצר כתוצאה ממגע בין שני עצמים. בעת המגע בין שני העצמים, אלקטרונים יכולים לעבור, או לנדוד, מחומר אחד לשני. כתוצאה מכך, בחומר אחד יהיה חוסר אלקטרונים והוא יהיה טעון במטען חשמלי חיובי, בעוד בחומר השני יהיה עודף אלקטרונים והוא יהיה טעון במטען חשמלי שלילי. אמנם חשמל סטטי יכול להיווצר כתוצאה ממגע בין חומרים מכל סוג, אבל המטען החשמלי נשאר רק בחומרים שהם מבודדים חשמליים. אין צורך בחיכוך על מנת שייווצר חשמל סטטי, אם כי חיכוך מאיץ את היווצרות החשמל הסטטי.
חומרים טעונים בחשמל סטטי נוטים לפרוק את המטען החשמלי שלהם. פריקת מטען החשמלי הסטטי יכולה להתבצע באמצעות מגע עם חומר אחר, או באמצעות פריקה אל האדמה.
בחיי היום יום אנו נתקלים מדי פעם בתופעות של חשמל סטטי. למשל, לאחר נסיעה במכונית, בעיקר בחורף, בימים יבשים. בחורף, בימים יבשים, אחוז הלחות באוויר הוא נמוך יחסית – ולכן המוליכות החשמלית של האוויר נמוכה, יחסית, דבר המאפשר הצטברות מטענים חשמליים. כתוצאה מהחיכוך בין האדם לבין המושב ברכב, הן הנוסע והן גוף המכונית נטענים בחשמל סטטי. מאחר וצמיגי המכונית הם חומר מבודד, גוף המכונית נשאר טעון בחשמל סטטי, עד שהנוסע יוצא מהרכב ונוגע בגוף המכונית – ואז החשמל הסטטי שבין גוף האדם לבין המכונית מתפרק בצורת ניצוץ.
ברקים הם דוגמא אחרת לחשמל סטטי. עננים נטענים בחשמל סטטי מסיבה שעדיין לא ברורה לחלוטין למדע. המתח החשמלי של מטען החשמל הסטטי בעננים יכול לנוע בין 100 - 20 מיליון וולט. בנקודת זמן מסוימת, המטען הסטטי הזה מתפרק מהעננים אל האדמה, בזרם חשמלי אדיר שעוצמתו עשויה להגיע עד 10,000 אמפר. זרם חשמלי אדיר זה הוא שיוצר את תופעת הברק וכן את תופעת הרעם, המתלווה לברק.
חשמל סטטי עלול לגרום נזק לשבבים אלקטרוניים מסוימים, לכן יש לנקוט באמצעי זהירות ובאמצעי הגנה כנגד הצטברות חשמל סטטי. דרך הגנה אחת היא אכסון אותם שבבים, כמו גם מעגלי מכשירים שבהם מותקנים שבבים אלה, בעטיפות אנטי-סטטיות, או אריזות אנטי-סטטיות, או מגרות אנטי-סטטיות. דרך אחרת היא לדאוג להארקה (חיבור טוב לארקה, או לאדמה) של האנשים המטפלים בשבבים כאלה ובמעגלים אלקטרוניים בהם מותקנים שבבים כאלה.
שדה חשמלי (Electric field)
שדה חשמלי הוא המרחב המקיף מטען חשמלי. במילים אחרות, למרחב המקיף מטען חשמלי יש תכונה הנקראת שדה חשמלי. השדה החשמלי הוא שדה-כוח תלת-ממדי הנוצר על ידי כל מטען חשמלי. שדה-כוח הוא תחום במרחב בו פועלים כוחות. דהיינו, שדה חשמלי הוא המרחב בו המטען החשמלי יפעיל כוח (משיכה או דחייה) על מטענים חשמליים אחרים. המטען החשמלי יפעיל כוח משיכה על מטענים חשמליים מנוגדים (מטען חיובי ומטען שלילי) והוא יפעיל כוח דחייה על מטענים חשמליים זהים (מספר מטענים שכולם חיוביים, או מספר מטענים שכולם שליליים). השדה החשמלי הוא שדה וקטורי תלת-ממדי, דהיינו, פונקציה מתמטית המשייכת וקטור, שהוא כמות בעלת כוון, לכל נקודה במרחב. בפיזיקה, וקטור מתאר גודל פיזיקאלי (או כמות פיזיקאלית), בעל כיוון במרחב התלת-ממדי. דהיינו, וקטור מציין גם גודל (או כמות) וגם כיוון במרחב. שדה חשמלי מכיל אנרגיה. הסימון של שדה וקטורי קבוע הוא
.
הרעיון של שדה חשמלי הוצג על ידי הפיזיקאי והכימאי הבריטי מייקל פאראדיי (פרדיי) (Michael Faraday) שחי בין השנים 1867 - 1791. פאראדיי (פרדיי) נחשב לאחד המדענים הגדולים ביותר בהיסטוריה. הוא תרם רבות לתחומי האלקטרומגנטיות והאלקטרוכימיה וניסח את חוק פאראדיי (חוק פרדיי).
השדה החשמלי הוא שדה וקטורי תלת-ממדי, דהיינו, פונקציה מתמטית המשייכת וקטור, שהוא כמות בעלת כוון, לכל נקודה במרחב. זה שדה וקטורי המתאר את מידת הכוח בו יפעל מטען חשמלי על מטענים חשמליים אחרים בכל נקודה במרחב. השדה החשמלי נמדד ביחידות של ניוטון לקולון (N•C-1), או ביחידות של וולט למטר (V•m-1).
שדה חשמלי מתואר באופן גרפי על ידי קווי שדה. יש לציין שקווי השדה החשמלי הם אך ורק ביטוי מתמטי – במציאות לא קיימים קווים ממשיים, פיזיים, כאלה. עם זה, כמו בשדה מגנטי, הכוחות שמפעילים מטענים חשמליים זה על זה מתנהגים בהתאם לקווי הוקטור המחושבים של השדה.
האיור הבא ממחיש את קווי השדה החשמלי:
.
הדמיון והשוני בין שדה חשמלי לשדה מגנטי
יש קשר הדוק בין חשמל למגנטיות – אם כי אין זהות מלאה בין השניים. הרחבה לגבי הקשר בין חשמל למגנטיות תובא בהמשך הקורס.
מספר נקודות של דמיון ושוני בין שדה חשמלי לשדה מגנטי:
- גם שדה מגנטי וגם שדה חשמלי נוצרים על ידי מטענים חשמליים.
- בעוד שדה מגנטי נוצר על ידי מטענים חשמליים בתנועה, שדה חשמלי נוצר על ידי כל המטענים החשמליים באשר הם, בין אם הם בתנועה ובין אם הם נייחים.
- שדה חשמלי נמדד ביחידות של ניוטון לקולון, או ביחידות של וולט למטר, בעוד שדה מגנטי נמדד ביחידות של אמפר למטר.
- באופן מעשי, קיימים רק שדות מגנטיים דו-קוטביים, בעוד שדה חשמלי יכול להיות גם חד-קוטבי – של יון חיובי, או יון שלילי, בודד.
- היחידה הבסיסית ביותר של דו-קוטב מגנטי היא ברמת האטום, דהיינו, אטום יחיד. היחידה הבסיסית ביותר של מטען חשמלי היא חלקיקים של האטום – אלקטרון ופרוטון. דהיינו, שדה מגנטי בסיסי מתקיים ברמה אטומית, בעוד שדה חשמלי בסיסי מתקיים ברמה תוך-אטומית. לכן, שדה חשמלי הוא בסיסי יותר מאשר שדה מגנטי.
הרחבות נוספות ניתן לראות בקישורים הבאים:
חשמל סטטי – ויקיפידיה
חשמל סטטי – ויקיפידיה באנגלית
שדה חשמלי – ויקיפידיה
שדה חשמלי – ויקיפידיה באנגלית
