كيفية حساب الشحنة الكهربائية

سواء كانت الكهرباء الساكنة المنبعثة من معطف الفرو أو الكهرباء التي تشغل أجهزة التلفزيون ، يمكنك معرفة المزيد عن الشحنة الكهربائية من خلال فهم الفيزياء الأساسية. تعتمد طرق حساب الشحنة على طبيعة الكهرباء نفسها ، مثل مبادئ كيفية توزيع الشحنة نفسها عبر الأشياء. هذه المبادئ هي نفسها بغض النظر عن مكان وجودك في الكون ، مما يجعل الشحنة الكهربائية خاصية أساسية للعلم نفسه.

هناك طرق عديدة للحساب شحنة كهربائية لمختلف السياقات في الفيزياء والهندسة الكهربائية.

قانون كولوم تُستخدم عمومًا عند حساب القوة الناتجة عن الجسيمات التي تحمل شحنة كهربائية ، وهي واحدة من أكثر معادلات الشحنة الكهربائية شيوعًا التي ستستخدمها. تحمل الإلكترونات شحنة فردية −1.602 × 10^-19 الكولوم (C) والبروتونات تحمل نفس المقدار ، ولكن في الاتجاه الموجب 1.602 × 10 ⁻¹⁹ ج. بتهمتين ف₁ و ف₂_ التي تفصل بينها مسافة _r، يمكنك حساب القوة الكهربائية F_ه تم إنشاؤه باستخدام قانون كولوم:

بحيث ك ثابت ك = 9.0 × 10 ⁹ نانومتر² / ج². يستخدم الفيزيائيون والمهندسون المتغير أحيانًا ه للإشارة إلى شحنة الإلكترون.

لاحظ أنه بالنسبة لشحن العلامات المتقابلة (موجب وناقص) ، تكون القوة سالبة ، وبالتالي ، جذابة بين الشحنتين. بالنسبة لشحنتين من نفس العلامة (زائد و زائد أو ناقص و ناقص) ، تكون القوة طاردة. كلما زادت الشحنات ، زادت قوة الجاذبية أو التنافر بينهما.

قانون كولوم يحمل تشابهًا مذهلاً مع قانون نيوتن لقوة الجاذبية F_{جي ​} = G م₁م₂ / ص² لقوة الجاذبية F_جيالجماهير م₁و م₂، وثابت الجاذبية جي = 6.674 × 10 ⁻¹¹ م³/ كجم ث². كلاهما يقيس قوى مختلفة ، ويختلف مع كتلة أكبر أو شحنة أكبر ويعتمد على نصف القطر بين كلا الجسمين إلى القوة الثانية. على الرغم من أوجه التشابه ، من المهم أن نتذكر أن قوى الجاذبية دائمًا ما تكون جذابة بينما يمكن أن تكون القوى الكهربائية جذابة أو مثيرة للاشمئزاز.

يجب أن تلاحظ أيضًا أن القوة الكهربائية عمومًا أقوى بكثير من الجاذبية بناءً على الاختلافات في القوة الأسية لثوابت القوانين. إن أوجه التشابه بين هذين القانونين هي مؤشر أكبر على التناظر والأنماط بين القوانين العامة للكون.

إذا ظل النظام معزولًا (أي بدون اتصال بأي شيء آخر خارجه) ، فسيحافظ على الشحن. حفظ الشحنة يعني أن الكمية الإجمالية للشحنة الكهربائية (الشحنة الموجبة ناقص الشحنة السالبة) تظل كما هي بالنسبة للنظام. يتيح حفظ الشحنة للفيزيائيين والمهندسين حساب مقدار حركة الشحنة بين الأنظمة ومحيطها.

يتيح هذا المبدأ للعلماء والمهندسين إنشاء أقفاص فاراداي التي تستخدم دروعًا أو طلاءًا معدنيًا لمنع الشحنة من الهروب. تستخدم أقفاص فاراداي أو دروع فاراداي ميل المجال الكهربائي لإعادة توزيع الشحنات داخل مادة لإلغاء تأثير المجال ومنع الرسوم من الإضرار أو دخول الداخلية. تستخدم هذه في المعدات الطبية مثل آلات التصوير بالرنين المغناطيسي ، لمنع البيانات من كونها مشوهة ، وفي معدات وقائية للكهربائيين وعمال الملاحين العاملين في أماكن خطرة البيئات.

يمكنك حساب صافي تدفق الشحنة لحجم مساحة عن طريق حساب المبلغ الإجمالي للشحنة التي تدخل وطرح المبلغ الإجمالي للشحنة المتبقية. من خلال الإلكترونات والبروتونات التي تحمل الشحنة ، يمكن إنشاء أو تدمير الجسيمات المشحونة لتوازن نفسها وفقًا للحفاظ على الشحنة.

مع العلم أن شحنة الإلكترون هي -1.602 × 10 ⁻¹⁹ C ، شحنة مقدارها −8 × 10 ⁻¹⁸ سيتكون C من 50 إلكترونًا. يمكنك إيجاد ذلك بقسمة كمية الشحنة الكهربائية على مقدار شحنة إلكترون واحد.

إذا كنت تعرف ملف التيار الكهربائي، تدفق الشحنة الكهربائية عبر جسم ما ، وتنتقل عبر دائرة ومدة تطبيق التيار ، يمكنك حساب الشحنة الكهربائية باستخدام معادلة التيار س = هو - هي بحيث س هي الشحنة الإجمالية المقاسة بالكولوم ، أنا الحالي بالأمبير ، و ر هو الوقت الذي يتم فيه تطبيق التيار بالثواني. يمكنك أيضًا استخدام قانون أوم (الخامس = IR) لحساب التيار من الجهد والمقاومة.

بالنسبة لدائرة بجهد 3 فولت ومقاومة 5 مطبقة لمدة 10 ثوانٍ ، يكون التيار المقابل الناتج هو أنا = الخامس / ر = 3 فولت / 5 Ω = 0.6 أ ، وستكون الشحنة الإجمالية س = هو = 0.6 أ × 10 ث = 6 ج.

إذا كنت تعرف الفرق المحتمل (الخامس) بالفولت المطبق في الدائرة والعمل (دبليو) بالجول خلال الفترة التي يتم تطبيقها ، الشحنة في كولوم ، س = دبليو / الخامس.

•••سيد حسين أثير

الحقل الكهربائي، القوة الكهربائية لكل وحدة شحنة ، تنتشر شعاعيًا للخارج من الشحنات الموجبة نحو الشحنات السالبة ويمكن حسابها ه = F_ه / ف، بحيث F_ه هي القوة الكهربائية و ف هي الشحنة التي تنتج المجال الكهربائي. بالنظر إلى مدى أهمية المجال والقوة في الحسابات في الكهرباء والمغناطيسية ، فإن الشحنة الكهربائية قد تكون يتم تعريفها على أنها خاصية للمادة التي تجعل للجسيم قوة في وجود كهربائي مجال.

حتى لو كانت الشحنة الكلية أو الكلية على جسم ما تساوي صفرًا ، فإن المجالات الكهربائية تسمح بتوزيع الشحنات بطرق مختلفة داخل الأشياء. إذا كانت هناك توزيعات شحنة داخلها تؤدي إلى صافي رسوم غير صفرية ، فإن هذه الكائنات تكون كذلك مستقطب، والشحنة التي تسببها هذه الاستقطابات معروفة باسم رسوم ملزمة.

على الرغم من أن العلماء لا يتفقون جميعًا على ماهية الشحنة الإجمالية للكون ، فقد قاموا بتخمينات مستنيرة واختبروا الفرضيات من خلال طرق مختلفة. قد تلاحظ أن الجاذبية هي القوة المهيمنة في الكون على المقياس الكوني ، ولأن القوة الكهرومغناطيسية أقوى بكثير من قوة الجاذبية ، إذا كان للكون شحنة صافية (سواء كانت موجبة أو سالبة) ، فستتمكن من رؤية دليل عليها بهذه الضخامة المسافات. دفع غياب هذا الدليل الباحثين إلى الاعتقاد بأن الكون محايد الشحنة.

ما إذا كان الكون دائمًا محايدًا أو كيف تغيرت شحنة الكون منذ الانفجار العظيم هي أيضًا أسئلة مطروحة للنقاش. إذا كان للكون شحنة صافية ، فيجب أن يكون العلماء قادرين على قياس ميولهم وتأثيراتهم على الجميع خطوط المجال الكهربائي بطريقة تجعلهم يفعلون ذلك بدلاً من التوصيل من الشحنات الموجبة إلى الشحنات السالبة لا ينتهي أبدا. يشير غياب هذه الملاحظة أيضًا إلى الحجة القائلة بأن الكون ليس له شحنة صافية.

•••سيد حسين أثير

ال تدفق كهربائي من خلال منطقة مستوية (أي مسطحة) أ مجال كهربائي ه هو الحقل مضروبًا في مكون المنطقة المتعامدة مع الحقل. للحصول على هذا المكون العمودي ، يمكنك استخدام جيب التمام للزاوية بين الحقل والمستوى المطلوب في صيغة التدفق ، ممثلة بـ Φ = EA كوس (θ)، أين θ هي الزاوية بين الخط العمودي على المنطقة واتجاه المجال الكهربائي.

هذه المعادلة ، والمعروفة باسم قانون جاوس، يخبرك أيضًا أنه بالنسبة للأسطح مثل تلك التي تسميها الأسطح الغاوسية، أي شحنة صافية ستوجد على سطحها من المستوى لأنه سيكون من الضروري إنشاء المجال الكهربائي

نظرًا لأن هذا يعتمد على هندسة مساحة السطح المستخدمة في حساب التدفق ، فإنه يختلف اعتمادًا على الشكل. بالنسبة لمنطقة دائرية ، منطقة التدفق أ سيكون π_r_² مع ص كنصف قطر الدائرة ، أو بالنسبة للسطح المنحني للأسطوانة ، ستكون منطقة التدفق الفصل بحيث ج هو محيط وجه الاسطوانة الدائرية و ح هو ارتفاع الاسطوانة.

كهرباء ساكنة يظهر عندما لا يكون جسمان في حالة توازن كهربائي (أو التوازن الكهروستاتيكي) ، أو أن هناك تدفقًا صافيًا للشحنات من كائن إلى آخر. مع احتكاك المواد ببعضها البعض ، فإنها تنقل الرسوم بين بعضها البعض. يمكن أن يؤدي فرك الجوارب على سجادة أو مطاط بالون منتفخ على شعرك إلى توليد هذه الأشكال من الكهرباء. تعمل الصدمة على إعادة هذه الرسوم الزائدة مرة أخرى ، لإعادة حالة التوازن.

ل موصل (مادة تنقل الكهرباء) في حالة توازن إلكتروستاتيكي ، يكون المجال الكهربائي بداخلها صفرًا ويجب أن تظل الشحنة الصافية على سطحها في حالة توازن إلكتروستاتيكي. هذا لأنه إذا كان هناك مجال ، فإن الإلكترونات الموجودة في الموصل ستعيد توزيعها أو تعيد محاذاة نفسها استجابةً للمجال. بهذه الطريقة ، سيلغون أي حقل لحظة إنشائه.

أسلاك الألمنيوم والنحاس هي مواد موصلة شائعة تستخدم لنقل التيارات والموصلات الأيونية غالبًا ما تُستخدم أيضًا ، وهي حلول تستخدم أيونات عائمة بحرية للسماح بتدفق الشحنات بسهولة. أشباه الموصلات، مثل الرقائق التي تسمح لأجهزة الكمبيوتر بوظائفها ، تستخدم الإلكترونات المتداولة بحرية أيضًا ، ولكن ليس بالقدر الذي تستخدمه الموصلات. تتطلب أشباه الموصلات مثل السيليكون والجرمانيوم أيضًا مزيدًا من الطاقة للسماح بتدوير الشحنات ولها موصلات منخفضة بشكل عام. على نقيض ذلك، عوازل مثل الخشب لا تدع الشحنة تتدفق بسهولة من خلالها.

مع عدم وجود حقل بداخله ، بالنسبة لسطح غاوسي يقع داخل سطح الموصل ، يجب أن يكون الحقل صفراً في كل مكان بحيث يكون التدفق صفراً. هذا يعني أنه لا توجد شحنة كهربائية صافية داخل الموصل. من هذا ، يمكنك استنتاج أنه بالنسبة للهياكل الهندسية المتماثلة مثل الكرات ، فإن الشحنة توزع نفسها بشكل موحد على سطح السطح الغاوسي.

نظرًا لأن الشحنة الصافية على سطح ما يجب أن تظل في حالة توازن إلكتروستاتيكي ، يجب أن يكون أي مجال كهربائي عموديًا على سطح الموصل للسماح للمادة بنقل الشحنات. يتيح لك قانون غاوس حساب حجم هذا المجال الكهربائي والتدفق للموصل. يجب أن يكون المجال الكهربي داخل الموصل صفرًا ، وفي الخارج يجب أن يكون عموديًا على السطح.

هذا يعني ، بالنسبة للموصل الأسطواني ذي المجال الذي يشع من الجدران بزاوية عمودية ، يكون التدفق الكلي ببساطة 2_E__πr_² لمجال كهربائي ه و ص نصف قطر الوجه الدائري للموصل الأسطواني. يمكنك أيضًا وصف الشحنة الصافية على السطح باستخدام σ، ال كثافة الشحنة لكل وحدة مساحة مضروبة في المساحة.