Πώς να υπολογίσετε την ηλεκτρική φόρτιση

Είτε πρόκειται για στατικό ηλεκτρισμό που εκπέμπεται από γούνινο παλτό είτε για ηλεκτρικό ρεύμα που τροφοδοτεί τηλεοράσεις, μπορείτε να μάθετε περισσότερα για το ηλεκτρικό φορτίο κατανοώντας την υποκείμενη φυσική. Οι μέθοδοι για τον υπολογισμό της φόρτισης εξαρτώνται από τη φύση της ίδιας της ηλεκτρικής ενέργειας, όπως οι αρχές του τρόπου με τον οποίο το φορτίο κατανέμεται μέσω αντικειμένων. Αυτές οι αρχές είναι οι ίδιες όπου κι αν βρίσκεστε στο σύμπαν, καθιστώντας το ηλεκτρικό φορτίο μια θεμελιώδη ιδιότητα της ίδιας της επιστήμης.

Υπάρχουν πολλοί τρόποι υπολογισμού ηλεκτρικό φορτίο για διάφορα περιβάλλοντα στη φυσική και την ηλεκτρολογία.

Ο νόμος του Κουλούμπ χρησιμοποιείται γενικά κατά τον υπολογισμό της δύναμης που προκύπτει από σωματίδια που φέρουν ηλεκτρικό φορτίο και είναι μια από τις πιο κοινές εξισώσεις ηλεκτρικού φορτίου που θα χρησιμοποιήσετε. Τα ηλεκτρόνια φέρουν μεμονωμένα φορτία −1.602 × 10^-19 τα coulombs (C) και τα πρωτόνια φέρουν την ίδια ποσότητα, αλλά προς τη θετική κατεύθυνση, 1,602 × 10

στο οποίο κ είναι μια σταθερά κ = 9.0 × 10 ⁹ Νμ² / Γ². Οι φυσικοί και οι μηχανικοί χρησιμοποιούν μερικές φορές τη μεταβλητή μι να αναφέρεται στη φόρτιση ενός ηλεκτρονίου.

Σημειώστε ότι, για χρεώσεις αντίθετων σημείων (συν και πλην), η δύναμη είναι αρνητική και, επομένως, ελκυστική μεταξύ των δύο φορτίων. Για δύο χρεώσεις του ίδιου σημείου (συν και συν ή μείον και μείον), η δύναμη είναι αποκρουστική. Όσο μεγαλύτερες είναι οι χρεώσεις, τόσο ισχυρότερη είναι η ελκυστική ή απωστική δύναμη μεταξύ τους.

Ο νόμος του Κουλούμπ έχει εντυπωσιακή ομοιότητα με τον νόμο του Νεύτωνα για βαρυτική δύναμη φά_{σολ ​} = G μ₁Μ₂ / ρ² για βαρυτική δύναμη φά_σολ, μάζες Μ₁και Μ₂, και βαρυτική σταθερά σολ = 6.674 × 10 ⁻¹¹ Μ³/ kg δ². Και οι δύο μετρούν διαφορετικές δυνάμεις, ποικίλλουν με μεγαλύτερη μάζα ή φορτίο και εξαρτώνται από την ακτίνα μεταξύ των δύο αντικειμένων έως τη δεύτερη ισχύ. Παρά τις ομοιότητες, είναι σημαντικό να θυμάστε ότι οι βαρυτικές δυνάμεις είναι πάντα ελκυστικές, ενώ οι ηλεκτρικές δυνάμεις μπορεί να είναι ελκυστικές ή απωθητικές.

Θα πρέπει επίσης να σημειώσετε ότι η ηλεκτρική δύναμη είναι γενικά πολύ ισχυρότερη από τη βαρύτητα με βάση τις διαφορές στην εκθετική ισχύ των σταθερών των νόμων. Οι ομοιότητες μεταξύ αυτών των δύο νόμων είναι μια μεγαλύτερη ένδειξη συμμετρίας και προτύπων μεταξύ των κοινών νόμων του σύμπαντος.

Εάν ένα σύστημα παραμένει απομονωμένο (δηλαδή χωρίς επαφή με οτιδήποτε άλλο εκτός αυτού), θα εξοικονομήσει φόρτιση. Διατήρηση χρέωσης σημαίνει ότι το συνολικό ποσό ηλεκτρικής φόρτισης (θετικό φορτίο μείον αρνητικό φορτίο) παραμένει το ίδιο για το σύστημα. Η διατήρηση της φόρτισης επιτρέπει στους φυσικούς και τους μηχανικούς να υπολογίζουν πόση κίνηση φορτίου μεταξύ των συστημάτων και του περιβάλλοντός τους.

Αυτή η αρχή επιτρέπει στους επιστήμονες και τους μηχανικούς να δημιουργήσουν κλουβιά Faraday που χρησιμοποιούν μεταλλικές ασπίδες ή επίστρωση για να αποτρέψουν τη διαφυγή φορτίου. Τα κλουβιά Faraday ή οι ασπίδες Faraday χρησιμοποιούν την τάση ενός ηλεκτρικού πεδίου να επαναδιανέμουν τις χρεώσεις εντός του υλικό για την ακύρωση της επίδρασης του γηπέδου και την αποφυγή βλάβης ή εισόδου των χρεώσεων εσωτερικό. Αυτά χρησιμοποιούνται σε ιατρικό εξοπλισμό, όπως μηχανές απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού, για την αποτροπή δεδομένων παραμορφωμένο και σε προστατευτικό εξοπλισμό για ηλεκτρολόγους και σεντόνια που εργάζονται σε επικίνδυνα περιβάλλοντα.

Μπορείτε να υπολογίσετε την καθαρή ροή φόρτισης για έναν όγκο χώρου υπολογίζοντας το συνολικό ποσό χρέωσης που εισέρχεται και αφαιρώντας το συνολικό ποσό αποχώρησης φόρτισης. Μέσω ηλεκτρονίων και πρωτονίων που φέρουν φορτίο, φορτισμένα σωματίδια μπορούν να δημιουργηθούν ή να καταστραφούν για να εξισορροπηθούν σύμφωνα με τη διατήρηση του φορτίου.

Γνωρίζοντας ότι η φόρτιση ενός ηλεκτρονίου είναι −1.602 × 10 ⁻¹⁹ C, χρέωση −8 × 10 ⁻¹⁸ Το C θα αποτελείται από 50 ηλεκτρόνια. Μπορείτε να το βρείτε διαιρώντας την ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου με το μέγεθος της φόρτισης ενός μόνο ηλεκτρονίου.

Εάν γνωρίζετε το ηλεκτρικό ρεύμα, τη ροή του ηλεκτρικού φορτίου μέσω ενός αντικειμένου, διασχίζοντας ένα κύκλωμα και πόσο καιρό εφαρμόζεται το ρεύμα, μπορείτε να υπολογίσετε το ηλεκτρικό φορτίο χρησιμοποιώντας την εξίσωση για το ρεύμα Ερ = Το στο οποίο Ερ είναι το συνολικό φορτίο που μετράται σε coulomb, Εγώ είναι τρέχον σε ενισχυτές και τ είναι η ώρα που το ρεύμα εφαρμόζεται σε δευτερόλεπτα. Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε το νόμο του Ohm (Β = IR) για τον υπολογισμό του ρεύματος από την τάση και την αντίσταση.

Για κύκλωμα με τάση 3 V και αντίσταση 5 Ω που εφαρμόζεται για 10 δευτερόλεπτα, το αντίστοιχο ρεύμα που προκύπτει είναι Εγώ = Β / Ρ = 3 V / 5 Ω = 0,6 A και η συνολική φόρτιση θα είναι Ε = Αυτό = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Εάν γνωρίζετε τη διαφορά δυναμικού (Β) σε βολτ που εφαρμόζονται σε κύκλωμα και το έργο (Δ) σε joules που γίνονται κατά την περίοδο που εφαρμόζεται, η χρέωση σε coulombs, Ερ = Δ / Β.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

Ηλεκτρικό πεδίο, η ηλεκτρική δύναμη ανά μονάδα φόρτισης, απλώνεται ακτινικά προς τα έξω από θετικά φορτία προς αρνητικά φορτία και μπορεί να υπολογιστεί με μι = φά_μι / ε, στο οποίο φά_μι είναι η ηλεκτρική δύναμη και ε είναι το φορτίο που παράγει το ηλεκτρικό πεδίο. Δεδομένου του θεμελιώδους πεδίου και της δύναμης στους υπολογισμούς της ηλεκτρικής ενέργειας και του μαγνητισμού, ενδέχεται να υπάρχει ηλεκτρικό φορτίο να οριστεί ως η ιδιότητα της ύλης που προκαλεί ένα σωματίδιο να έχει δύναμη παρουσία ηλεκτρικού πεδίο.

Ακόμα κι αν το καθαρό, ή το σύνολο, η φόρτιση σε ένα αντικείμενο είναι μηδέν, τα ηλεκτρικά πεδία επιτρέπουν την κατανομή των φορτίων με διάφορους τρόπους μέσα σε αντικείμενα. Εάν υπάρχουν κατανομές φορτίων εντός αυτών που οδηγούν σε μη μηδενική καθαρή φόρτιση, αυτά τα αντικείμενα είναι πολωμένος, και το φορτίο που προκαλούν αυτές οι πόλωση είναι γνωστά ως δεσμευμένες χρεώσεις.

Αν και οι επιστήμονες δεν συμφωνούν όλοι σχετικά με το τι είναι το συνολικό φορτίο του σύμπαντος, έχουν κάνει μορφωμένες εικασίες και έχουν δοκιμάσει υποθέσεις με διάφορες μεθόδους. Μπορεί να παρατηρήσετε ότι η βαρύτητα είναι η κυρίαρχη δύναμη στο σύμπαν στην κοσμολογική κλίμακα και, επειδή η ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι πολύ ισχυρότερη από τη βαρυτική δύναμη, εάν το σύμπαν είχε καθαρό φορτίο (είτε θετικό είτε αρνητικό), τότε θα μπορούσατε να δείτε αποδείξεις για αυτό σε τόσο τεράστια αποστάσεις. Η απουσία αυτών των στοιχείων έχει οδηγήσει τους ερευνητές να πιστέψουν ότι το σύμπαν είναι ουδέτερο ως προς το φορτίο.

Εάν το σύμπαν ήταν πάντα ουδέτερο φορτίο ή πώς άλλαξε το φορτίο του σύμπαντος, καθώς το big bang είναι επίσης ερωτήματα που συζητούνται. Εάν το σύμπαν είχε καθαρό φορτίο, τότε οι επιστήμονες θα πρέπει να είναι σε θέση να μετρήσουν τις τάσεις και τις επιπτώσεις τους σε όλους γραμμές ηλεκτρικού πεδίου με τέτοιο τρόπο ώστε, αντί να συνδέονται από θετικά φορτία σε αρνητικά φορτία, θα μπορούσαν ποτέ δεν τελειώνει. Η απουσία αυτής της παρατήρησης δείχνει επίσης το επιχείρημα ότι το σύμπαν δεν έχει καθαρό φορτίο.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

ο ηλεκτρική ροή μέσω μιας επίπεδης (δηλαδή επίπεδης) περιοχής ΕΝΑ ενός ηλεκτρικού πεδίου μι είναι το πεδίο πολλαπλασιαζόμενο με το στοιχείο της περιοχής κάθετα προς το πεδίο. Για να αποκτήσετε αυτό το κάθετο στοιχείο, χρησιμοποιείτε το συνημίτονο της γωνίας μεταξύ του πεδίου και του επιπέδου ενδιαφέροντος στον τύπο ροής, που αντιπροσωπεύεται από Φ = ΕΑ cos (θ), όπου θ είναι η γωνία μεταξύ της γραμμής κάθετης προς την περιοχή και της κατεύθυνσης του ηλεκτρικού πεδίου.

Αυτή η εξίσωση, γνωστή ως Ο νόμος του Γκαους, σας λέει επίσης ότι, για επιφάνειες όπως αυτές, τις οποίες καλείτε Γκάους επιφάνειες, οποιοδήποτε καθαρό φορτίο θα βρισκόταν στην επιφάνεια του αεροπλάνου επειδή θα ήταν απαραίτητο να δημιουργηθεί το ηλεκτρικό πεδίο.

Επειδή αυτό εξαρτάται από τη γεωμετρία της περιοχής της επιφάνειας που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ροής, ποικίλλει ανάλογα με το σχήμα. Για κυκλική περιοχή, η περιοχή ροής ΕΝΑ θα ήταν π_r_² με ρ όπως η ακτίνα του κύκλου, ή για την καμπύλη επιφάνεια ενός κυλίνδρου, η περιοχή ροής θα είναι Χρ στο οποίο ντο είναι η περιφέρεια της κυκλικής όψης κυλίνδρου και η είναι το ύψος του κυλίνδρου.

ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ εμφανίζεται όταν δύο αντικείμενα δεν βρίσκονται σε ηλεκτρική ισορροπία (ή ηλεκτροστατική ισορροπία), ή, ότι υπάρχει καθαρή ροή φορτίων από το ένα αντικείμενο στο άλλο. Καθώς τα υλικά τρίβονται μεταξύ τους, μεταφέρουν χρεώσεις μεταξύ τους. Το τρίψιμο των καλτσών σε ένα χαλί ή το λάστιχο ενός διογκωμένου μπαλονιού στα μαλλιά σας μπορεί να παράγει αυτές τις μορφές ηλεκτρικής ενέργειας. Το σοκ μεταφέρει αυτές τις υπερβολικές χρεώσεις πίσω, για να αποκατασταθεί μια κατάσταση ισορροπίας.

Για ένα αγωγός (ένα υλικό που μεταδίδει ηλεκτρισμό) σε ηλεκτροστατική ισορροπία, το ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό είναι μηδέν και το καθαρό φορτίο στην επιφάνειά του πρέπει να παραμείνει σε ηλεκτροστατική ισορροπία. Αυτό συμβαίνει επειδή, εάν υπήρχε ένα πεδίο, τα ηλεκτρόνια στον αγωγό θα επαναδιανέμουν ή θα ευθυγραμμιστούν ξανά ως απόκριση στο πεδίο. Με αυτόν τον τρόπο, θα ακυρώνουν οποιοδήποτε πεδίο τη στιγμή που θα δημιουργηθεί.

Τα σύρματα αλουμινίου και χαλκού είναι κοινά υλικά αγωγών που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση ρευμάτων και ιοντικών αγωγών χρησιμοποιούνται επίσης συχνά, οι οποίες είναι λύσεις που χρησιμοποιούν ελεύθερα πλωτά ιόντα για να αφήσουν τη φόρτιση να περάσει εύκολα. Ημιαγωγοί, όπως τα τσιπ που επιτρέπουν στους υπολογιστές να λειτουργούν, χρησιμοποιούν επίσης ηλεκτρόνια που κυκλοφορούν ελεύθερα, αλλά όχι τόσο πολλά όσο και οι αγωγοί. Οι ημιαγωγοί όπως το πυρίτιο και το γερμάνιο απαιτούν επίσης περισσότερη ενέργεια για να αφήσουν τα φορτία να κυκλοφορούν και γενικά έχουν χαμηλές αγωγιμότητες. Σε αντίθεση, μονωτές όπως το ξύλο δεν αφήνουν τη ροή να ρέει εύκολα μέσω αυτών.

Χωρίς πεδίο μέσα, για μια επιφάνεια Gauss που βρίσκεται ακριβώς μέσα στην επιφάνεια του αγωγού, το πεδίο πρέπει να είναι μηδέν παντού έτσι ώστε η ροή να είναι μηδέν. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει καθαρό ηλεκτρικό φορτίο μέσα στον αγωγό. Από αυτό, μπορείτε να συμπεράνετε ότι, για συμμετρικές γεωμετρικές κατασκευές όπως σφαίρες, το φορτίο κατανέμεται ομοιόμορφα στην επιφάνεια της Gaussian επιφάνειας.

Επειδή το καθαρό φορτίο σε μια επιφάνεια πρέπει να παραμείνει σε ηλεκτροστατική ισορροπία, οποιοδήποτε ηλεκτρικό πεδίο πρέπει να είναι κάθετο στην επιφάνεια ενός αγωγού για να επιτρέπεται στο υλικό να μεταδίδει φορτία. Ο νόμος του Gauss σάς επιτρέπει να υπολογίζετε το μέγεθος αυτού του ηλεκτρικού πεδίου και τη ροή του αγωγού. Το ηλεκτρικό πεδίο μέσα σε έναν αγωγό πρέπει να είναι μηδέν και, έξω, πρέπει να είναι κάθετο στην επιφάνεια.

Αυτό σημαίνει, για έναν κυλινδρικό αγωγό με πεδίο που ακτινοβολεί από τα τοιχώματα σε κάθετη γωνία, η συνολική ροή είναι απλά 2_E__πr_² για ηλεκτρικό πεδίο μι και ρ ακτίνα της κυκλικής όψης του κυλινδρικού αγωγού. Μπορείτε επίσης να περιγράψετε το καθαρό φορτίο στην επιφάνεια χρησιμοποιώντας σ, ο πυκνότητα φορτίου ανά μονάδα επιφάνειας, πολλαπλασιαζόμενη επί την περιοχή.