Sådan beregnes elektrisk opladning

Uanset om det er statisk elektricitet, der afgives af en pelsskind eller den elektricitet, der driver fjernsynsapparater, kan du lære mere om elektrisk ladning ved at forstå den underliggende fysik. Metoderne til beregning af ladning afhænger af selve elektricitetens karakter, såsom principper for, hvordan ladning fordeler sig gennem objekter. Disse principper er de samme uanset hvor du befinder dig i universet, hvilket gør elektrisk opladning til en grundlæggende egenskab for videnskaben selv.

Der er mange måder at beregne på elektrisk ladning til forskellige sammenhænge inden for fysik og elektroteknik.

Coulombs lov bruges generelt til beregning af kraften, der skyldes partikler, der bærer elektrisk ladning, og er en af ​​de mest almindelige elektriske ladningsligning, du vil bruge. Elektroner bærer individuelle ladninger på -1,602 × 10^-19 coulombs (C) og protoner bærer den samme mængde, men i den positive retning 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. For to afgifter q₁ og q₂_som er adskilt med en afstand _r

hvori k er en konstant k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Fysikere og ingeniører bruger undertiden variablen e at henvise til ladningen af ​​en elektron.

Bemærk, at for ladninger af modsatte tegn (plus og minus) er kraften negativ og derfor attraktiv mellem de to ladninger. For to ladninger af det samme tegn (plus og plus eller minus og minus) er kraften frastødende. Jo større ladningerne er, desto stærkere er den tiltrækkende eller frastødende kraft imellem dem.

Coulombs lov har slående lighed med Newtons lov for tyngdekraft F_{G ​} = G m₁m₂ / r² til tyngdekraft F_G, masser m₁og m₂og gravitationskonstant G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². De måler begge forskellige kræfter, varierer med større masse eller ladning og afhænger af radius mellem begge objekter til den anden effekt. På trods af lighederne er det vigtigt at huske, at tyngdekræfter altid er attraktive, mens elektriske kræfter kan være attraktive eller frastødende.

Du skal også bemærke, at den elektriske kraft generelt er meget stærkere end tyngdekraften baseret på forskellene i den eksponentielle magt for konstanterne i lovene. Ligheden mellem disse to love er en større indikation af symmetri og mønstre blandt almindelige love i universet.

Hvis et system forbliver isoleret (dvs. uden kontakt med noget andet uden for det), sparer det opladning. Bevaring af gebyr betyder, at den samlede mængde elektrisk ladning (positiv ladning minus negativ ladning) forbliver den samme for systemet. Bevarelse af ladning lader fysikere og ingeniører beregne, hvor meget ladning der bevæger sig mellem systemer og deres omgivelser.

Dette princip gør det muligt for forskere og ingeniører at oprette Faraday-bure, der bruger metalskærme eller belægning for at forhindre, at ladning slipper ud. Faraday-bure eller Faraday-skjolde bruger et elektrisk felts tendens til at omfordele afgifter inden for materiale til at ophæve virkningen af ​​marken og forhindre, at afgifterne skader eller kommer ind i interiør. Disse bruges i medicinsk udstyr såsom magnetiske resonansbilleddannende maskiner for at forhindre data fra er forvrænget og i beskyttelsesudstyr til elektrikere og linjemænd, der arbejder i farlige omgivelser miljøer.

Du kan beregne nettoladestrømmen for et rumfang ved at beregne den samlede mængde ladning, der indtaster og trækker den samlede mængde ladning, der er tilbage. Gennem elektroner og protoner, der bærer ladning, kan ladede partikler dannes eller ødelægges for at afbalancere sig i henhold til bevarelse af ladning.

At vide, at ladningen af ​​et elektron er -1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, en ladning på -8 × 10 ⁻¹⁸ C ville være sammensat af 50 elektroner. Du kan finde dette ved at dividere mængden af ​​elektrisk ladning med størrelsen af ​​ladningen for en enkelt elektron.

Hvis du kender elektrisk strøm, strømmen af ​​elektrisk ladning gennem et objekt, der bevæger sig gennem et kredsløb, og hvor længe strømmen tilføres, kan du beregne elektrisk ladning ved hjælp af ligningen for strøm Spørgsmål = Det hvori Spørgsmål er den samlede ladning målt i coulombs, jeg er strøm i ampere, og t er det tidspunkt, hvor strømmen tilføres i sekunder. Du kan også bruge Ohms lov (V = IR) for at beregne strøm fra spænding og modstand.

For et kredsløb med spænding 3 V og modstand 5 Ω, der tilføres i 10 sekunder, er den tilsvarende strøm, der resulterer jeg = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, og den samlede opladning ville være Q = Det = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Hvis du kender den potentielle forskel (V) i volt påført i et kredsløb og arbejdet (W) i joule udført over den periode, det påføres, ladningen i coulombs, Spørgsmål = W / V.

•••Syed Hussain Ather

Elektrisk felt, den elektriske kraft pr. ladningsenhed, spredes radialt udad fra positive ladninger mod negative ladninger og kan beregnes med E = F_E / q, hvori F_E er den elektriske kraft og q er den afgift, der producerer det elektriske felt. I betragtning af hvor grundlæggende felt og kraft er til beregninger inden for elektricitet og magnetisme, kan elektrisk ladning muligvis defineres som egenskaben af ​​stof, der får en partikel til at have en kraft i nærvær af en elektrisk Mark.

Selvom nettet eller den samlede ladning på et objekt er nul, tillader elektriske felter, at ladninger fordeles på forskellige måder inden i objekter. Hvis der er ladningsfordelinger inden i dem, der resulterer i en nettoladning, der ikke er nul, er disse objekter polariseret, og den ladning, som disse polarisationer forårsager, er kendt som bundne afgifter.

Selvom forskere ikke alle er enige om, hvad universets samlede ladning er, har de lavet veluddannede gæt og testet hypoteser gennem forskellige metoder. Du kan bemærke, at tyngdekraften er den dominerende kraft i universet på den kosmologiske skala, og fordi den elektromagnetiske kraft er meget stærkere. end tyngdekraften, hvis universet havde en nettoladning (enten positiv eller negativ), så ville du være i stand til at se bevis for det i så stor afstande. Fraværet af dette bevis har fået forskerne til at tro, at universet er ladningsneutralt.

Om universet altid har været ladningsneutralt, eller hvordan universets ladning har ændret sig siden big bang, er også spørgsmål, der er op til debat. Hvis universet havde en nettoladning, skulle forskere være i stand til at måle deres tendenser og effekter på alle elektriske feltlinjer på en sådan måde, at de i stedet for at forbinde fra positive ladninger til negative ladninger slutter aldrig. Fraværet af denne observation peger også på argumentet om, at universet ikke har nogen nettoladning.

•••Syed Hussain Ather

Det elektrisk strøm gennem et plan (dvs. fladt) område EN af et elektrisk felt E er feltet ganget med komponenten i området vinkelret på feltet. For at få denne vinkelrette komponent bruger du cosinus for vinklen mellem feltet og planet af interesse i formlen for flux, repræsenteret af Φ = EA cos (θ), hvor θ er vinklen mellem linjen vinkelret på området og retningen af ​​det elektriske felt.

Denne ligning, kendt som Gauss's lov, fortæller dig også, at for overflader som disse, som du kalder Gaussiske overflader, vil enhver nettoladning ligge på dens overflade af flyet, fordi det ville være nødvendigt at skabe det elektriske felt.

Da dette afhænger af geometrien af ​​overfladearealet, der anvendes til beregning af flux, varierer det afhængigt af formen. For et cirkulært område, fluxområdet EN ville være π_r_² med r som cirkelens radius eller for den buede overflade af en cylinder, ville fluxarealet være Ch hvori C er omkredsen af ​​den cirkulære cylinderflade og h er cylinderens højde.

Statisk elektricitet opstår, når to objekter ikke er i elektrisk ligevægt (eller elektrostatisk ligevægt), eller at der er en nettostrøm af ladninger fra et objekt til et andet. Når materialer gnider mod hinanden, overfører de afgifter mellem hinanden. Gnidning af sokker på et tæppe eller gummi fra en oppustet ballon på dit hår kan generere disse former for elektricitet. Chokket overfører disse overskydende ladninger for at genoprette en tilstand af ligevægt.

For en leder (et materiale, der transmitterer elektricitet) i elektrostatisk ligevægt, det elektriske felt indeni er nul, og nettoladningen på overfladen skal forblive ved elektrostatisk ligevægt. Dette skyldes, at hvis der var et felt, ville elektronerne i lederen omfordele eller justere sig selv som svar på feltet. På denne måde ville de annullere ethvert felt i det øjeblik det ville blive oprettet.

Aluminium og kobbertråd er almindelige ledermaterialer, der bruges til at overføre strømme og ioniske ledere bruges ofte, hvilket er løsninger, der bruger frit flydende ioner til at lade ladning strømme igennem let. Halvledere, såsom chips, der lader computere fungere, bruger også frit cirkulerende elektroner, men ikke så mange som ledere gør. Halvledere som silicium og germanium kræver også mere energi for at lade ladninger cirkulere og har generelt lave ledningsevner. I modsætning hertil isolatorer som træ, lad ikke ladning strømme let igennem dem.

Uden felt indeni, for en Gaussisk overflade, der ligger lige inden for lederens overflade, skal feltet være nul overalt, så fluxen er nul. Dette betyder, at der ikke er nogen elektrisk elektrisk ladning inde i lederen. Ud fra dette kan du udlede, at ladningen for symmetriske geometriske strukturer såsom kugler fordeler sig ensartet på overfladen af ​​den Gaussiske overflade.

Fordi nettoladningen på en overflade skal forblive i elektrostatisk ligevægt, skal ethvert elektrisk felt være vinkelret på overfladen af ​​en leder for at lade materialet overføre ladninger. Gauss's lov giver dig mulighed for at beregne størrelsen af ​​dette elektriske felt og flux for lederen. Det elektriske felt inde i en leder skal være nul, og udenfor skal det være vinkelret på overfladen.

Dette betyder, at for en cylindrisk leder med felt, der udstråler fra væggene i en vinkelret vinkel, er den samlede flux simpelthen 2_E__πr_² til et elektrisk felt E og r radius af den cirkulære flade af den cylindriske leder. Du kan også beskrive nettoladningen på overfladen ved hjælp af σ, det ladningstæthed pr. arealenhed ganget med arealet.