So berechnen Sie die elektrische Ladung

Ob es sich um statische Elektrizität handelt, die von einem Pelzmantel abgegeben wird, oder um die Elektrizität, die Fernsehgeräte antreibt, Sie können mehr über elektrische Ladung erfahren, indem Sie die zugrunde liegende Physik verstehen. Die Methoden zur Berechnung der Ladung hängen von der Natur der Elektrizität selbst ab, beispielsweise von den Prinzipien der Ladungsverteilung durch Objekte. Diese Prinzipien sind überall im Universum gleich, was die elektrische Ladung zu einer grundlegenden Eigenschaft der Wissenschaft selbst macht.

Es gibt viele Berechnungsmethoden elektrische Ladung für verschiedene Kontexte in Physik und Elektrotechnik.

Coulomb-Gesetz wird im Allgemeinen verwendet, wenn die Kraft berechnet wird, die von elektrisch geladenen Teilchen entsteht, und ist eine der am häufigsten verwendeten Gleichungen für die elektrische Ladung. Elektronen tragen Einzelladungen von −1.602 × 10^-19 Coulomb (C) und Protonen tragen die gleiche Menge, aber in positiver Richtung, 1,602 × 10

in welchem k ist eine Konstante k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Physiker und Ingenieure verwenden manchmal die Variable e die Ladung eines Elektrons bezeichnen.

Beachten Sie, dass für Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen (Plus und Minus) die Kraft negativ und daher zwischen den beiden Ladungen anziehend ist. Bei zwei Ladungen gleichen Vorzeichens (plus und plus oder minus und minus) ist die Kraft abstoßend. Je größer die Ladungen sind, desto stärker ist die anziehende oder abstoßende Kraft zwischen ihnen.

Das Coulomb-Gesetz weist eine auffallende Ähnlichkeit mit dem Newtonschen Gesetz für die Gravitationskraft auf F_{G ​} = Gm₁ich₂ / r² für Gravitationskraft F_G, Massen ich₁und ich₂, und Gravitationskonstante G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ ich³/ kg s². Beide messen unterschiedliche Kräfte, variieren mit größerer Masse oder Ladung und hängen vom Radius zwischen beiden Objekten in zweiter Potenz ab. Trotz der Ähnlichkeiten ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass Gravitationskräfte immer anziehend sind, während elektrische Kräfte anziehend oder abstoßend sein können.

Sie sollten auch beachten, dass die elektrische Kraft aufgrund der Unterschiede in der Exponentialkraft der Konstanten der Gesetze im Allgemeinen viel stärker ist als die Schwerkraft. Die Ähnlichkeiten zwischen diesen beiden Gesetzen sind ein größerer Hinweis auf Symmetrie und Muster unter den gemeinsamen Gesetzen des Universums.

Bleibt ein System isoliert (d. h. ohne Kontakt zu anderen Gegenständen), spart es Ladung. Ladungserhaltung bedeutet, dass die Gesamtmenge der elektrischen Ladung (positive Ladung minus negative Ladung) für das System gleich bleibt. Mit der Ladungserhaltung können Physiker und Ingenieure berechnen, wie viel Ladung sich zwischen Systemen und ihrer Umgebung bewegt.

Dieses Prinzip ermöglicht es Wissenschaftlern und Ingenieuren, Faradaysche Käfige zu entwickeln, die metallische Abschirmungen oder Beschichtungen verwenden, um das Entweichen von Ladung zu verhindern. Faraday-Käfige oder Faraday-Schilde nutzen die Tendenz eines elektrischen Feldes, Ladungen innerhalb des Material, um die Wirkung des Feldes aufzuheben und zu verhindern, dass die Ladungen Schaden anrichten oder in die Innere. Diese werden in medizinischen Geräten wie Magnetresonanztomographen verwendet, um zu verhindern, dass Daten verzerrt und in Schutzkleidung für Elektriker und Leitungspersonal, die in gefährlichen Umgebungen.

Sie können den Nettoladungsfluss für ein Raumvolumen berechnen, indem Sie den Gesamtbetrag der eingegebenen Gebühren berechnen und den Gesamtbetrag der verlassenen Gebühren subtrahieren. Durch ladungstragende Elektronen und Protonen können geladene Teilchen erzeugt oder zerstört werden, um sich entsprechend der Ladungserhaltung auszugleichen.

Wissen, dass die Ladung eines Elektrons −1.602 × 10. beträgt ⁻¹⁹ C, eine Ladung von −8 × 10 ⁻¹⁸ C würde aus 50 Elektronen bestehen. Sie können dies herausfinden, indem Sie die elektrische Ladung durch die Größe der Ladung eines einzelnen Elektrons teilen.

Wenn du das kennst elektrischer Strom, den Fluss der elektrischen Ladung durch ein Objekt, die Bewegung durch einen Stromkreis und wie lange der Strom angelegt wird, können Sie die elektrische Ladung mit der Gleichung für Strom berechnen calculate Q = Es in welchem Q ist die in Coulomb gemessene Gesamtladung, ich ist Strom in Ampere, und t ist die Zeit in Sekunden, in der der Strom angelegt wird. Sie können auch das Ohmsche Gesetz verwenden (V = IR) um Strom aus Spannung und Widerstand zu berechnen.

Für eine Schaltung mit einer Spannung von 3 V und einem Widerstand von 5 Ω, die für 10 Sekunden angelegt wird, ergibt sich der entsprechende Strom ich = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, und die Gesamtladung wäre Q = Es = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Wenn Sie die Potentialdifferenz kennen (V) in Volt angelegt in einem Stromkreis und die Arbeit (W) in Joule über den Zeitraum, in dem sie angewendet wird, die Ladung in Coulomb, Q = W / V.

•••Syed Hussain Ather

Elektrisches Feld, die elektrische Kraft pro Ladungseinheit, breitet sich von positiven Ladungen zu negativen Ladungen radial nach außen aus und kann mit. berechnet werden E = F_E / q, in welchem F_E ist die elektrische Kraft und q ist die Ladung, die das elektrische Feld erzeugt. Wenn man bedenkt, wie fundamental Feld und Kraft für Berechnungen in Elektrizität und Magnetismus sind, kann die elektrische Ladung definiert als die Eigenschaft der Materie, die bewirkt, dass ein Teilchen in Gegenwart eines elektrischen Feld.

Selbst wenn die Netto- oder Gesamtladung eines Objekts null ist, ermöglichen elektrische Felder, dass Ladungen auf verschiedene Weise innerhalb von Objekten verteilt werden. Wenn sich darin Gebührenverteilungen befinden, die zu einer Nettogebühr ungleich Null führen, sind diese Objekte polarisiert, und die Ladung, die diese Polarisationen verursachen, sind bekannt als gebundene Gebühren.

Obwohl sich die Wissenschaftler nicht alle über die Gesamtladung des Universums einig sind, haben sie fundierte Vermutungen angestellt und Hypothesen mit verschiedenen Methoden getestet. Sie können feststellen, dass die Schwerkraft auf kosmologischer Skala die dominierende Kraft im Universum ist, und weil die elektromagnetische Kraft viel stärker ist als die Gravitationskraft, wenn das Universum eine Nettoladung (entweder positiv oder negativ) hätte, dann könntest du Beweise dafür sehen, die so groß sind Entfernungen. Das Fehlen dieser Beweise hat Forscher zu der Annahme veranlasst, dass das Universum ladungsneutral ist.

Ob das Universum schon immer ladungsneutral war oder wie sich die Ladung des Universums seit dem Urknall verändert hat, sind auch Fragen, die zur Debatte stehen. Wenn das Universum eine Nettoladung hätte, dann sollten Wissenschaftler in der Lage sein, ihre Tendenzen und Auswirkungen auf alle zu messen elektrische Feldlinien so, dass sie, anstatt positive Ladungen mit negativen Ladungen zu verbinden, niemals enden. Das Fehlen dieser Beobachtung weist auch auf das Argument hin, dass das Universum keine Nettoladung hat.

•••Syed Hussain Ather

Das elektrischer Fluss durch eine ebene (d. h. ebene) Fläche EIN eines elektrischen Feldes E ist das Feld multipliziert mit der Komponente der Fläche senkrecht zum Feld. Um diese senkrechte Komponente zu erhalten, verwenden Sie den Kosinus des Winkels zwischen dem Feld und der interessierenden Ebene in der Formel für den Fluss, dargestellt durch = EA weil (θ), wo θ ist der Winkel zwischen der Linie senkrecht zur Fläche und der Richtung des elektrischen Feldes.

Diese Gleichung, bekannt als Gaußsches Gesetz, sagt Ihnen auch, dass für Oberflächen wie diese, die Sie nennen Gaußsche Flächen, würde jede Nettoladung auf seiner Oberfläche der Ebene liegen, weil es notwendig wäre, das elektrische Feld zu erzeugen.

Da dies von der Geometrie des Oberflächenbereichs abhängt, der bei der Berechnung des Flusses verwendet wird, variiert er je nach Form. Für eine kreisförmige Fläche ist die Flussfläche EIN wäre π_r_² mit r als Radius des Kreises oder für die gekrümmte Oberfläche eines Zylinders wäre die Flussfläche CH in welchem C ist der Umfang der Kreiszylinderfläche und ha ist die Zylinderhöhe.

Statische Elektrizität entsteht, wenn sich zwei Objekte nicht im elektrischen Gleichgewicht befinden (oder elektrostatisches Gleichgewicht) oder dass es einen Nettoladungsfluss von einem Objekt zum anderen gibt. Wenn Materialien aneinander reiben, übertragen sie Ladungen untereinander. Das Reiben von Socken auf einem Teppich oder dem Gummi eines aufgeblasenen Ballons auf Ihrem Haar kann diese Formen von Elektrizität erzeugen. Der Schock überträgt diese überschüssigen Ladungen zurück, um einen Gleichgewichtszustand wiederherzustellen.

Für ein Dirigent (ein Material, das Elektrizität überträgt) im elektrostatischen Gleichgewicht ist das elektrische Feld im Inneren null und die Nettoladung auf seiner Oberfläche muss im elektrostatischen Gleichgewicht bleiben. Dies liegt daran, dass sich die Elektronen im Leiter bei einem Feld als Reaktion auf das Feld neu verteilen oder ausrichten würden. Auf diese Weise würden sie jedes Feld sofort abbrechen, wenn es erstellt würde.

Aluminium- und Kupferdraht sind gängige Leitermaterialien zur Übertragung von Strömen und Ionenleiter werden auch oft verwendet, das sind Lösungen, die frei schwebende Ionen verwenden, um Ladung durchfließen zu lassen leicht. Halbleiter, wie die Chips, die Computer funktionieren lassen, verwenden ebenfalls frei zirkulierende Elektronen, aber nicht so viele wie Leiter. Halbleiter wie Silizium und Germanium benötigen auch mehr Energie, um Ladungen zirkulieren zu lassen, und weisen im Allgemeinen eine niedrige Leitfähigkeit auf. Im Gegensatz, Isolatoren wie Holz lassen die Ladung nicht leicht durch sie fließen.

Ohne Feld im Inneren muss bei einer Gaußschen Fläche, die direkt innerhalb der Oberfläche des Leiters liegt, das Feld überall Null sein, damit der Fluss Null ist. Dies bedeutet, dass im Leiter keine elektrische Nettoladung vorhanden ist. Daraus lässt sich ableiten, dass sich bei symmetrischen geometrischen Strukturen wie Kugeln die Ladung gleichmäßig auf der Oberfläche der Gaußschen Fläche verteilt.

Da die Nettoladung auf einer Oberfläche im elektrostatischen Gleichgewicht bleiben muss, muss jedes elektrische Feld senkrecht zur Oberfläche eines Leiters sein, damit das Material Ladungen übertragen kann. Mit dem Gaußschen Gesetz können Sie die Größe dieses elektrischen Felds und des Flusses für den Leiter berechnen. Das elektrische Feld innerhalb eines Leiters muss null sein und außerhalb muss es senkrecht zur Oberfläche stehen.

Das heißt, für einen zylindrischen Leiter, dessen Feld senkrecht von den Wänden abstrahlt, beträgt der Gesamtfluss einfach 2_E__πr_² für ein elektrisches Feld E und r Radius der Kreisfläche des zylindrischen Leiters. Sie können die Nettoladung an der Oberfläche auch mit. beschreiben σ, das Ladungsdichte pro Flächeneinheit, multipliziert mit der Fläche.