Statisk elektrisitet

Statisk elektrisitet betyr stillestående elektrisitet og fagfeltet som behandler dette kalles elektrostatikk. Den andre delen av elektrisitetslæren kalles elektrodynamikk, som er læren om elektrisitet i bevegelse, som er elektrisk strøm.

Bakgrunn

Hovedingrediensene i elektrostatikken er faste stoffer som er elektriske isolatorer, og frie elektroner. Også i elektrostatikken foregår det forflytning av ladninger ved elektrisk strøm, men kun som enkeltstående og kortvarige hendelser, altså ikke som en kontinuerlig prosess. Et grensetilfelle ses med elektronpumper som ved Van de Graaff-generatoren og andre.
I likevekt holder elektronene seg til atomkjernene sine. Atomkjernene sitter alltid fast i stoffet og de har positive ladninger. De fleste elektronene er fast bundet til atomkjernene sine og holder stoffet sammen. Likevel sitter elektronene i de ytterste skallene (Bohrs atommodell) ganske løst og kan bringes til å frigjøre seg og til å bevege seg. Elektronene har negative ladninger og kan derfor påvirkes med elektrostatiske krefter som stammer fra elektriske felt. Hvert elektron har en fast mengde ladning, kalt elementærladningen. Mindre ladninger eksisterer ikke. 
Like ladninger frastøter hverandre og ulike ladninger tiltrekker hverandre. Dette gjelder både mikroskopisk og makroskopisk betraktet. To elektroner frastøter hverandre mere jo nærmere hverandre de kommer.
Til et stykke isolator kan en tilføre et antall elektroner. Antallet elektroner bestemmer hvor mye ladning som ble tilført isolatoren. Elektronene forblir værende noenlunde der de ble tilført, de fordeler seg ikke jevnt over isolatoren siden den ikke kan lede strøm. Elektronene fordeler seg noe utover fordi de frastøter hverandre. En kan tenke på slike ansamlinger som en negativt ladet øy. Likeledes kan en fjerne en samling elektroner fra et område; de positive atomkjernene er da i flertall slik at dette stedet har fått en positiv ladning.
Mellom ulike ladninger hersker en kraft som søker å utjevne forskjellen mellom for mange og for få elektroner. En leder kan kobles mellom disse øyene og vil da lede elektronene over inntil balanse er oppstått. Kraften som virker stammer fra en elektrisk spenning. Bevegelsen av elektroner gjennom lederen kalles elektrisk strøm. Ubalansen setter opp et elektrisk felt mellom øyene, og feltets styrke måles i V/m (volt per meter). Feltet inneholder den energien som ble brukt til å forflytte elektronene. Elektroner som skulle befinne seg mellom de ulikt ladde øyene blir påvirket av dette feltet med en kraft som er proporsjonal til feltstyrken, og rettet mot den positive øya.
Rav (harpiks) er en god isolator. Det var tidlig kjent at gnidning av et stykke rav med et tørt tøystykke eller dyrepels ville gjøre noe med ravstykket slik at små, lette partikler ville tiltrekkes av det. Rav heter elektron på gresk og var årsaken til bruken av dette ordet fikk med elektroteknikk å gjøre. Mennesker kan bli ladet når de går rundt med godt isolerende fottøy i tørre omgivelser. I mennesker fordeler elektronene seg jevnt over det hele, siden kroppsvev leder strøm ganske godt.
Flytting av store mengder elektroner fører til store spenninger, og dersom positive og negative ladninger ligger svært nære hverandre blir også feltstyrken stor. I vakuum vil feltstyrker større enn ca. 1000 V/mm føre til at det oppstår en elektrisk ledende og strømførende gnist som leder elekronene over og forbruker noe av ladningens energi. I stor skala kalles gnisten et lyn; og ladningene holdes av små vanndråper i atmosfæren, skyer.
Det var lenge ukjent hvorfor et ganske lite, lett stykke materie (som en liten bit papir) først ville tiltrekkes av en ladning, for så å bli frastøtt like kraftig etter den berørte stedet med ladningen. Det som skjer er at papirbiten er nøytral eller har en annen ladning enn stedet, og blir derfor tiltrukket. Ved berøring overtar papirbiten en del av stedets ladning slik at stedet og biten har fått samme ladning og derfor frastøter hverandre.

Den triboelektriske effekt

Den triboelektriske effekt er en slags kontakt-elektrifisering der enkelte materialer blir elektrisk ladet når de kommer i kontakt med et annet materiale og deretter skilles. Polariteten og ladningsmengden som dannes avhenger av materialet, overflateruhet, temperatur, strekk og andre egenskaper. Det er derfor vanskelig å forutsi hva som vil skje, og brede generaliseringer er det nærmeste en kommer en lov her. Rav, for eksempel, kan få elektrisk ladning ved friksjon med materialer som ull. Denne egenskapen, hvis tidligste nedskrevne observasjon er av Thales fra Milet, ga opphav til navnet «elektrisitet», fra det greske ordet for rav, èlectròn. Andre eksempler på materialer som kan samle opp en vesentlig ladningsmengde ved gnidning er glass gnidd mot silke, og hard gummi gnidd mot pels.

Elektrostatiske generatorer

Tilstedeværelsen av en ubalansert overflateladning mellom to objekter betyr at objektene vil tilkjennegi tiltrekkende eller frastøtende krefter. Denne ubalansen kan genereres ved å la to forskjellige overflater berøre hverandre og deretter skille dem. På grunn av elektrifikasjon ved kontakt og den triboelektriske effekten (over) vil det bli en ubalanse i ladning mellom disse objektene. Ved å gni to ikkeledende objekter mot hverandre kan man samle opp store mengder elektrisk ladning. 
Dette er ikke bare et resultat av friksjon; to ikkeledende overflater kan lades bare ved at de legges oppå hverandre. Siden de fleste overflater er ru tar det lenger tid å lade dem ved kontakt enn ved gnidning. Vanligvis er isolatorer gode til å generere og holde på en overflateladning. Noen eksempler på slike materialer er gummi, plast og glass. Ledende objekter kan vanligvis ikke generere en ubalanse i ladning bortsett fra, for eksempel, når en overflate av metall treffes av faste eller flytende ikke-ledere. Netto ladning på en leder fordeler seg på overflaten (pga Gauss' lov (over)) av lederen. Denne effekten benyttes i en elektrostatisk generator. Det er en innretning som produserer veldig høy spenning ved veldig lav strøm, og som brukes i fysikkdemonstrasjoner.