ไฟฟ้าสถิต

สำหรับวิทยาศาสตร์ของประจุไฟฟ้านิ่ง ดูที่ ไฟฟ้าสถิต

สนามไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากการกระจายตัวของประจุ (+) ส่วนเกิน

เมื่อผมของเด็กคนนี้สัมผัสกับแผ่นไถล ประจุบวกจะถูกสร้างสะสมขึ้นจนทำให้ผมแต่ละเส้นผลักกันเอง ผมยังสามารถดึงดูดกับผิวหน้าแผ่นไถลที่มีประจุลบอีกด้วย

ไฟฟ้านิ่ง (อังกฤษ: Static electricity) คือความไม่สมดุลย์ของประจุไฟฟ้าภายในหรือบนพื้นผิวของวัสดุหนึ่ง ประจุยังคงอยู่กับที่จนกระทั่งมันสามารถจะเคลื่อนที่โดยอาศัยการไหลของอิเล็กตรอน (กระแสไฟฟ้า) หรือมีการปลดปล่อยประจุ (อังกฤษ: electrical discharge) ไฟฟ้านิ่งมีชื่อที่ขัดกับไฟฟ้ากระแสที่ไหลผ่านเส้นลวดหรือตัวนำอื่นและนำส่งพลังงาน

ประจุไฟฟ้านิ่งสามารถสร้างขึ้นได้เมื่อไรก็ตามที่สองพื้นผิวสัมผัสกันและแยกจากกัน และอย่างน้อยหนึ่งในพื้นผิวนั้นมีความต้านทานสูงต่อกระแสไฟฟ้า (และดังนั้นมันจึงเป็นฉนวนไฟฟ้า) ผลกระทบทั้งหลายจากไฟฟ้านิ่งจะคุ้นเคยกับคนส่วนใหญ่เพราะผู้คนสามารถรู้สึก, ได้ยิน, และแม้แต่ได้เห็นประกายไฟเมื่อประจุส่วนเกินจะถูกทำให้เป็นกลางเมื่อถูกนำเข้ามาใกล้กับตัวนำไฟฟ้าขนาดใหญ่ (เช่นเส้นทางที่ไปลงดิน) หรือภูมิภาคที่มีประจุส่วนเกินที่มีขั้วตรงข้าม (บวกหรือลบ) ปรากฏการณ์ที่คุ้นเคยของช็อกจากไฟฟ้าสถิต หรือที่เจาะจงมากขึ้นคือการปลดปล่อยไฟฟ้าสถิต (อังกฤษ: electrostatic discharge) จะเกิดจากการเป็นกลางของประจุ

สาเหตุของการเกิดไฟฟ้านิ่ง

วัสดุทั้งหลายจะทำจากหลายอะตอมที่ปกติแล้วจะเป็นกลางทางไฟฟ้าเพราะพวกมันมีจำนวนของประจุบวก (โปรตอนในนิวเคลียส) และจำนวนของประจุลบ (อิเล็กตรอนใน "วงรอบนิวเคลียส") เท่ากัน ปรากฏการณ์ของไฟฟ้านิ่งจะเกิดขึ้นได้เมื่อมีการแยกประจุบวกและลบออกจากกัน เมื่อวัตถุสองชนิดสัมผัสกัน อิเล็กตรอนอาจย้ายจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง ทำให้วัตถุหนึ่งมีประจุบวกเกิน และอีกวัตถุหนึ่งมีประจุลบเกินในจำนวนที่เท่ากัน เมื่อแยกวัตถุทั้งสองออกจากกัน จึงเกิดการไม่สมดุลของประจุขึ้นในวัตถุแต่ละตัว วัตถุที่มีประจุลบเกิน ก็ถือว่าเกิดไฟฟ้านิ่งประจุลบ วัตถุที่ประจุบวกเกิน ก็เรียกว่าเกิดไฟฟ้านิ่งประจุบวก

การแยกประจุที่เหนี่ยวนำจากการสัมผัส

บทความหลัก: ผลกระทบไทรโบอิเล็กตริก

อิเล็กตรอนสามารถแลกเปลี่ยนกันระหว่างวัสดุโดยการสัมผัส วัสดุที่มีอิเล็กตรอนผูกพันอย่างอ่อนมีแนวโน้มที่จะสูญเสียพวกมันในขณะที่วัสดุที่มีวงรอบนอกมีที่ว่างมีแนวโน้มที่จะได้รับพวกมัน ธรรมชาตินี้เรียกว่าผลกระทบไทรโบอิเล็กตริก และเป็นผลให้วัสดุหนึ่งกลายเป็นมีประจุบวกและอีกวัสดุหนึ่งมีประจุลบ ขั้วและความแข็งแรงของประจุบนว้สดุทั้งสองทันทีที่พวกมันถูกแยกออกจากกันจะขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่สัมพันธ์กันระหว่างพวกมันในไฟฟ้าสถิต#ชุดของไทรโบอิเล็กตริก ผลกระทบไทรโบอิเล็กตริกเป็นสาเหตุหลักของการผลิตไฟฟ้านิ่งที่สังเกตได้ในชีวิตประจำวัน และในการสาธิตตามโรงเรียนมัธยมทางวิทยาศาสตร์ทั่วไปที่เกี่ยวข้องกับการถูวัสดุที่แตกต่างเข้าด้วยกัน (เช่นขนสัตว์กับแกนอาคริลิค) การแยกประจุที่เหนี่ยวนำโดยการสัมผัสเป็นสาเหตุที่ทำให้เส้นผมของคุณตั้งขึ้นและทำให้เกิดการ "เกาะติดจากไฟฟ้าสถิต" (ตัวอย่างเช่นบอลลูนเมื่อขัดถูกับผมจะกลายเป็นมีประจุลบ เมื่ออยู่ใกล้กับกำแพงบอลลูนที่มีประจุจะดูดกับอนุภาคประจุบวกในผนังและสามารถ "เกาะติด" กับมัน ปรากฏให้เห็นว่ามันถูกแขวนต้านแรงโน้มถ่วงของโลก)

การแยกประจุที่เหนี่ยวนำจากความดัน

บทความหลัก: ผลกระทบไพโซอิเล็กตริก

ความเครียดเชิงกลที่จ่ายให้จะทำให้เกิดการแยกประจุในบางประเภทของผลึกและโมเลกุลเซรามิกส์

การแยกประจุที่เหนี่ยวนำจากความร้อน

บทความหลัก: ผลกระทบไพโรอิเล็กตริก

ความร้อนจะทำให้เกิดการแยกประจุในอะตอมหรือโมเลกุลของวัสดุบางอย่าง วัสดุไพโรอิเล็กตริกทั้งหมดยังเป็นไพโซอิเล็กตริกอีกด้วย คุณสมบัติของอะตอมหรือโมเลกุลของการตอบสนองต่อความร้อนและความดันจะสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด

การแยกประจุที่เหนี่ยวนำจากประจุ

บทความหลัก: การเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต

วัตถุที่มีประจุเมื่อถูกนำมาใกล้กับวัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้​​าจะทำให้เกิดการแยกประจุภายในวัตถุที่เป็นกลาง ประจุขั้วเดียวกันจะผลักกันและประจุขั้วตรงข้ามกันจะดูดกัน เมื่อแรงอันเนื่องมาจากปฏิสัมพันธ์ของประจุไฟฟ้าตกลงไปอย่างรวดเร็วตามระยะห่างที่เพิ่มขึ้น ประจุ (ขั้วตรงข้าม) ที่อยูใกล้มากกว่าจะส่งผลกระทบมากกว่าและวัตถุทั้งสองจะรู้สึกถึงแรงดึงดูด ผลจะเด่นชัดมากที่สุดเมื่อวัตถุที่เป็นกลางเป็นตัวนำไฟฟ้าเมื่อประจุมีอิสระมากขึ้นที่จะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ การลงดินอย่างระมัดระวังของบางส่วนของวัตถุที่มีการแยกประจุที่เกิดขึ้นจากประจุสามารถเพิ่มหรือลดอิเล็กตรอนอย่างถาวร ปล่อยให้วัตถุเหลือแต่เพียงประจุุถาวร กระบวนการนี้​​้เป็นส่วนประกอบสำคัญในการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแวนเดอแกรฟฟ์ อุปกรณ์ที่ใช้กันทั่วไปในการสาธิตผลกระทบของไฟฟ้​​านิ่ง

การกำจัดและการป้องกันไฟฟ้านิ่ง

บทความหลัก: ตัวแทนต้านไฟฟ้าสถิตย์และอุปกรณ์ต้านไฟฟ้าสถิตย์

การกำจัดหรือการป้องกันการสะสมของประจุไฟฟ้านิ่งอาจทำได้ง่ายๆแค่เปิดหน้าต่างหรือใช้เครื่องทำความชื้น (อังกฤษ: humidifier) เพื่อเพิ่มความชิ้นของอากาศ ทำให้อากาศเป็นสื่อกระแสไฟฟ้ามากขึ้น เครื่องสร้างไอออนจากอากาศ (อังกฤษ: air ionizer) ก็สามารถทำงานได้เหมือนกัน

อุปกรณ์ที่ไวเฉพาะต่อการปลดปล่อยประจุไฟฟ้า(โดยรวดเร็ว)อาจจะได้รับแก้ไขด้วยการใช้ตัวแทนต้านไฟฟ้าสถิตย์ซึ่งจะเพิ่มชั้นพิ้นผิวการนำไฟฟ้าเพื่อให้ประจุส่วนเกินมีการกระจายออกไปทั่วผิวหน้า น้ำยาปรับผ้านุ่มและแผ่นเป่าแห้งที่ใช้ในเครื่องซักผ้าและเครื่องอบผ้าเป็นตัวอย่างหนึ่งของตัวแทนต้านไฟฟ้าสถิตที่ใช้ในการป้องกันและกำจัดการยึดติดของประจุ

อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำจำนวนมากที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีความไวเฉพาะต่อการปลดปล่อยประจุไฟฟ้า ถุงต้านไฟฟ้าสถิตมักใช้ห่ออุปกรณ์เพื่อปกป้องอุปกรณ์ดังกล่าว คนที่ทำงานกับวงจรที่มีอุปกรณ์เหล่านี้มักจะลงดินตัวเขาเองด้วยสายรัดข้อมือต้านไฟฟ้าสถิต

ในโรงงานอุตสาหกรรมเช่นโรงงานสีหรือแป้งหรือในโรงพยาบาล, รองเท้าปลอดภัยต้านไฟฟ้าสถิตบางครั้งถูกนำมาใช้เพื่อป้องกันการสะสมของประจุไฟฟ้าเนื่องจากมันจะสัมผัสกับพื้น รองเท้าเหล่านี้มีพื้นรองเท้าที่มีการนำไฟฟ้าที่ดี รองเท้าต้านไฟฟ้าสถิตไม่ควรจะสับสนกับรองเท้าฉนวนซึ่งจะให้ผลตรงกันข้าม เพราะรองเท้าฉนวนใช้ป้องกันไฟฟ้าช็อกอย่างรุนแรงจากไฟฟ้าสายเมน

ตัวอย่างถุงต้านไฟฟ้าสถิตใช้ใส่แผ่นวงจรเครือข่าย ถุงมีสารป้องกันไฟฟ้าสถิตเคลือบอยู่ ก่อนเปิดถุงต้องเอาตัวถุงสัมผัสกับกราวด์ก่อนเพื่อความปลอดภัยของอุปกรณ์ภายในถุง

สายรัดข้อมือต้านไฟฟ้าสถิตที่มีปากคีบจระเข้

การนำไปใช้ประโยชน์

• ใช้ในเครื่องถ่ายเอกสาร มีหลักการทำงานที่สำคัญคือ แผ่นฟิล์มที่ฉาบด้วยวัสดุตัวนำ ที่มีคุณสมบัติเป็นตัวนำเมื่อถูกแสงและเป็นฉนวนเมื่อไม่ได้ถูกแสง เมื่อเครื่องเริ่มทำงาน แผ่นฟิล์มจะถูกทำให้มีประจุไฟฟ้าบวกทั่วทั้งแผ่น และจะสอ่งแสงไปยังสิ่งพิมพ์ผ่านเลนส์ไปกระทบกับแผ่นฟิล์ม ส่วนที่เป็นสีขาวบนสิ่งพิมพ์แสงจะทะลุผ่านออกมากระทบแผ่นฟิล์ม ทำให้บริเวณที่ถูกแสงเป็นตัวนำ เป็นผลให้บริเวณนั้นมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า ส่วนตัวอักษรหรือภาพลายเส้นที่เป็นสีดำจะดูดกลืนแสงจึงไม่ให้แสงผ่านออกมากระทบแผ่นฟิล์มทำให้บริเวณที่ไม่ถูกแสงบนแผ่นฟิล์มคงยังมีประจุไฟฟ้าบวกอยู่ เมื่อพ่นผงหมึกที่มีประจุไฟฟ้าลบไปที่แผ่นฟิล์ม ผงหมึกจะไปเกาะเฉพาะบริเวณที่มีประจุบวกเท่านั้น ส่วนบริเวณอื่นที่ไม่มีประจุไฟฟ้าก็จะไม่มีผงหมึกเกาะ ทำให้เห็นเป็นภาพของต้นฉบับบนแผ่นฟิล์ม และเมื่อกดแผ่นกระดาษประจุบวกลงบนแผ่นฟิล์มที่มีผงหมึกก็จะได้ภาพสำเนาปรากฏบนแผ่นกระดาษ นำกระดาษนี้ไปอบความร้อนเพื่อให้ผงหมึกติดแน่นก็จะได้ภาพสำเนาบนแผ่นกระดาษที่ชัดเจนและถาวร

• ใช้ในการพ่นสี เครื่องพ่นสีใช้สำหรับพ่นผงหรือละอองสี เพื่อให้สีเกาะติดชิ้นงานได้ดีกว่าการพ่นแบบธรรมดา ใช้หลักการทำผงหรือละอองสีกลายเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าขณะผงถูกพ่นออกจากเครื่องพ่น มีผลให้ผงหรือละอองสีที่มีประจุไฟฟ้านั้นมแรงดึงดูดกับผิวชิ้นงานและจะเกาะติดชิ้นงานนั้นได้ดี

• ใช้ในเครื่องพิมพ์ Inkjet

• ใช้กับไมโครโฟรแบบตัวเก็บประจุ หลักการของไมโครโฟนแบบตัวเก็บประจุคือ ประกอบด้วยแผ่นโลหะ 2 แผ่นที่ขนานกัน แผ่นหนึ่งทำหน้าที่เป็นไดอะแฟรมรับคลื่นเสียง ส่วนแผ่นที่สองยึดติดกับฐาน โดยแผ่นที่รับคลื่นเสียงจะบางมากเมื่อมีคลื่นเสียงมากระทบ มันจะสั่นตามความถี่และกำลังของคลื่น ผลจากการสั่นของแผ่นบางนี้ จะทำให้ความจุไฟฟ้าเปลี่ยนแปลง เมื่อต่อไมโครโฟนแบบตัวเก็บประจุนี้อนุกรมกับตัวต้านทานความต่างศักย์คร่อมไมโครโฟนแบบตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนแปลงตามความถี่ของคลื่นเสียง เป็นผลให้เกิดสัญญาณไฟฟ้า

ไมโครโฟนแบบตัวเก็บประจุนี้เราสามารถนำไปใช้กับการร้องเพลง การพูด จะได้เสียงที่ชัดเจน และเป็นไมโครโฟนที่นิยมใช้