Jak vypočítat elektrický náboj

Ať už jde o statickou elektřinu vydávanou kožešinovým kabátem nebo o elektřinu, která pohání televizní přijímače, další informace o elektrickém náboji získáte pochopením základní fyziky. Metody výpočtu náboje závisí na samotné povaze elektřiny, například na principech distribuce náboje mezi objekty. Tyto principy jsou stejné bez ohledu na to, kde se ve vesmíru nacházíte, takže elektrický náboj je základní vlastností samotné vědy.

Existuje mnoho způsobů výpočtu elektrický náboj pro různé kontexty ve fyzice a elektrotechnice.

Coulombův zákon se obecně používá při výpočtu síly vznikající z částic nesoucích elektrický náboj a je jednou z nejběžnějších rovnic elektrického náboje, které použijete. Elektrony nesou jednotlivé náboje −1,602 × 10^-19 coulomby (C) a protony nesou stejné množství, ale v kladném směru 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. Za dva poplatky q₁ a q₂_ které jsou odděleny vzdáleností _r, můžete vypočítat elektrickou sílu F_E generované pomocí Coulombova zákona:

ve kterém k je konstanta k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C.². Fyzici a inženýři někdy používají proměnnou E odkazovat na náboj elektronu.

U nábojů s opačnými znaménky (plus a minus) je síla záporná, a proto je mezi těmito dvěma náboji atraktivní. Pro dva náboje stejného znaménka (plus a plus nebo minus a minus) je síla odpudivá. Čím větší jsou náboje, tím silnější je mezi nimi přitažlivá nebo odpudivá síla.

Coulombův zákon nese nápadnou podobnost s Newtonovým zákonem pro gravitační sílu F_{G ​} = G m₁m₂ / r² pro gravitační sílu F_Gmasy m₁a m₂a gravitační konstanta G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Oba měří různé síly, mění se s větší hmotností nebo nábojem a závisí na poloměru mezi oběma objekty k druhé moci. Navzdory podobnostem je důležité si uvědomit, že gravitační síly jsou vždy atraktivní, zatímco elektrické mohou být atraktivní nebo odpudivé.

Měli byste také poznamenat, že elektrická síla je obecně mnohem silnější než gravitace na základě rozdílů v exponenciální síle konstant zákonů. Podobnosti mezi těmito dvěma zákony jsou větší indikací symetrie a vzorů mezi běžnými zákony vesmíru.

Pokud systém zůstane izolovaný (tj. Bez kontaktu s čímkoli jiným mimo něj), ušetří náboj. Zachování poplatku znamená, že celkové množství elektrického náboje (kladný náboj minus záporný náboj) zůstává v systému stejné. Zachování náboje umožňuje fyzikům a technikům vypočítat, kolik náboje se pohybuje mezi systémy a jejich okolím.

Tento princip umožňuje vědcům a inženýrům vytvářet Faradayovy klece, které používají kovové štíty nebo povlak, aby zabránily úniku náboje. Faradayovy klece nebo Faradayovy štíty používají tendenci elektrického pole k přerozdělování nábojů uvnitř materiál zrušit účinek pole a zabránit poškození nebo poškození poplatků interiér. Používají se v lékařských zařízeních, jako jsou stroje pro zobrazování magnetickou rezonancí, aby se zabránilo přenosu dat být zkreslen a v ochranných pomůckách pro elektrikáře a linemen pracující v nebezpečných prostorách prostředí.

Čistý tok náboje pro objem prostoru můžete vypočítat výpočtem celkového množství vstupujícího náboje a odečtením celkového množství zbývajícího náboje. Prostřednictvím elektronů a protonů, které přenášejí náboj, mohou být vytvářeny nebo ničeny nabité částice, aby se vyrovnaly podle zachování náboje.

S vědomím, že náboj elektronu je -1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, náboj −8 × 10 ⁻¹⁸ C by bylo složeno z 50 elektronů. Zjistíte to vydělením množství elektrického náboje velikostí náboje jednoho elektronu.

Pokud znáte elektrický proud, tok elektrického náboje objektem, cestování obvodem a jak dlouho je proud aplikován, můžete vypočítat elektrický náboj pomocí rovnice pro proud Q = To ve kterém Q je celkový náboj měřený v coulombech, Já je aktuální v zesilovačích a t je čas, kdy je proud aplikován v sekundách. Můžete také použít Ohmův zákon (PROTI = IR) pro výpočet proudu z napětí a odporu.

Pro obvod s napětím 3 V a odporem 5 Ω, který je přiveden na 10 sekund, je odpovídající výsledný proud Já = PROTI / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A a celkový náboj by byl Q = to = 0,6 A × 10 s = 6 ° C

Pokud znáte potenciální rozdíl (PROTI) ve voltech aplikovaných v obvodu a díle (Ž) v joulech provedených během období, ve kterém je aplikován, náboj v coulombech, Q = Ž / PROTI.

•••Syed Hussain Ather

Elektrické pole, elektrická síla na jednotku náboje, se šíří radiálně směrem ven z kladných nábojů do záporných nábojů a lze ji vypočítat pomocí E = F_E / q, ve kterém F_E je elektrická síla a q je náboj, který produkuje elektrické pole. Vzhledem k tomu, jaké základní pole a síla jsou pro výpočty v elektřině a magnetismu, může elektrický náboj být definován jako vlastnost hmoty, která způsobí, že částice má sílu v přítomnosti elektrického proudu pole.

I když je síťový nebo celkový náboj na objektu nulový, elektrická pole umožňují distribuci nábojů různými způsoby uvnitř objektů. Pokud v nich existují distribuce nábojů, které vedou k nenulovému čistému náboji, tyto objekty jsou polarizovanýa náboj, který tyto polarizace způsobují, jsou známy jako vázané poplatky.

Ačkoli vědci nesouhlasí s tím, jaký je celkový náboj vesmíru, učinili poučné odhady a testovali hypotézy pomocí různých metod. Můžete pozorovat, že gravitace je dominantní silou ve vesmíru v kosmologickém měřítku, a protože elektromagnetická síla je mnohem silnější než gravitační síla, pokud by vesmír měl čistý náboj (ať už kladný nebo záporný), pak byste byli schopni vidět důkazy o tom na tak obrovském vzdálenosti. Absence těchto důkazů vedla vědce k přesvědčení, že vesmír je nábojově neutrální.

Otázky, o nichž je možné diskutovat, ať už byl vesmír vždy nábojově neutrální nebo jak se náboj vesmíru změnil od velkého třesku. Pokud by vesmír měl síťový náboj, pak by vědci měli být schopni měřit jejich tendence a účinky na všechny elektrické siločáry takovým způsobem, že místo připojení z kladných nábojů na záporné náboje ano nikdy neskončí. Absence tohoto pozorování také ukazuje na argument, že vesmír nemá žádný čistý náboj.

•••Syed Hussain Ather

The elektrický tok přes rovinnou (tj. rovnou) plochu A elektrického pole E je pole vynásobené složkou oblasti kolmé k poli. Chcete-li získat tuto kolmou složku, použijte kosinus úhlu mezi polem a rovinou zájmu ve vzorci pro tok, představovaný Φ = EA cos (θ), kde θ je úhel mezi přímkou ​​kolmou k oblasti a směrem elektrického pole.

Tato rovnice, známá jako Gaussův zákon, také vám to říká, pro povrchy, jako jsou tyto, které nazýváte Gaussovy povrchy, jakýkoli síťový náboj by spočíval na jeho povrchu letadla, protože by bylo nutné vytvořit elektrické pole.

Protože to závisí na geometrii plochy povrchu použité při výpočtu toku, liší se to v závislosti na tvaru. Pro kruhovou oblast oblast toku A bude π_r_² s r jako poloměr kruhu nebo pro zakřivený povrch válce by byla oblast toku Ch ve kterém C je obvod kruhového čela válce a h je výška válce.

Statická elektřina se objeví, když dva objekty nejsou v elektrické rovnováze (nebo elektrostatická rovnováha), nebo že dochází k čistému toku poplatků z jednoho objektu do druhého. Když se materiály navzájem otírají, přenášejí poplatky mezi sebou. Tření ponožek o koberec nebo gumu nafouknutého balónku na vlasy může generovat tyto formy elektřiny. Šok přenáší tyto přebytečné náboje zpět, aby obnovil rovnovážný stav.

Pro dirigent (materiál, který přenáší elektřinu) v elektrostatické rovnováze, elektrické pole uvnitř je nulové a čistý náboj na jeho povrchu musí zůstat v elektrostatické rovnováze. Je to proto, že pokud by pole existovalo, elektrony ve vodiči by se v reakci na pole znovu distribuovaly nebo znovu seřadily. Tímto způsobem by zrušili jakékoli pole v okamžiku, kdy by bylo vytvořeno.

Hliníkový a měděný drát jsou běžné vodivé materiály používané k přenosu proudů a iontové vodiče Často se také používají řešení, která pomocí volně plovoucích iontů nechají protékat náboj snadno. Polovodiče, jako jsou čipy, které umožňují fungování počítačů, používají také volně cirkulující elektrony, ale ne tolik jako vodiče. Polovodiče, jako je křemík a germanium, také vyžadují více energie, aby umožnily cirkulaci nábojů, a obecně mají nízkou vodivost. Naproti tomu izolátory jako je dřevo, nenechte náboj snadno protékat.

Bez vnitřního pole musí být pro Gaussův povrch, který leží jen uvnitř povrchu vodiče, pole nulové všude, aby tok byl nulový. To znamená, že uvnitř vodiče není žádný elektrický náboj. Z toho lze odvodit, že u symetrických geometrických struktur, jako jsou koule, se náboj rovnoměrně distribuuje na povrchu Gaussova povrchu.

Protože síťový náboj na povrchu musí zůstat v elektrostatické rovnováze, musí být jakékoli elektrické pole kolmé na povrch vodiče, aby materiál mohl přenášet náboje. Gaussův zákon vám umožňuje vypočítat velikost tohoto elektrického pole a tok pro vodič. Elektrické pole uvnitř vodiče musí být nulové a mimo něj musí být kolmé k povrchu.

To znamená, že pro válcový vodič s polem vyzařujícím ze stěn v kolmém úhlu je celkový tok jednoduše 2_E__πr_² pro elektrické pole E a r poloměr kruhové plochy válcového vodiče. Můžete také popsat síťový náboj na povrchu pomocí σ, hustota náboje na jednotku plochy vynásobené plochou.