Kuidas arvutada elektrilaengut

Ükskõik, kas see on staatiline elekter, mida annab karvane karv, või elektrit, mis toidab telereid, saate elektrilaengu kohta lisateavet, mõistes selle aluseks olevat füüsikat. Laengu arvutamise meetodid sõltuvad elektri enda laadist, näiteks põhimõtted selle kohta, kuidas laeng ennast objektide kaudu jaotab. Need põhimõtted on samad olenemata sellest, kus te universumis viibite, muutes elektrilaengu teaduse enda põhiomaduseks.

Arvutamiseks on palju viise elektrilaeng füüsika ja elektrotehnika erinevates kontekstides.

Coulombi seadus kasutatakse tavaliselt elektrilaengut kandvate osakeste tekitatud jõu arvutamisel ja see on üks levinumaid elektrilaengu võrrandeid, mida kasutate. Elektronid kannavad üksikuid laenguid −1,602 × 10^-19 kulonke (C) ja prootoneid on sama palju, kuid positiivses suunas 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. Kahe tasu eest q₁ ja q₂_ mis on eraldatud vahemaaga _r, saate arvutada elektrilise jõu F_E loodud Coulombi seadust kasutades:

milles k on konstant k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Füüsikud ja insenerid kasutavad mõnikord muutujat e viidata elektroni laengule.

Pange tähele, et vastupidiste märkidega (pluss ja miinus) laengute korral on jõud kahe laengu vahel negatiivne ja seetõttu atraktiivne. Kahe sama märgiga laengu (pluss ja pluss või miinus ja miinus) korral on jõud tõrjuv. Mida suuremad on laengud, seda tugevam on nende vahel atraktiivne või tõrjuv jõud.

Coulombi seadusel on gravitatsioonijõu osas silmatorkav sarnasus Newtoni seadusega F_{G ​} = G m₁m₂ / r² gravitatsioonijõu jaoks F_G, massid m₁ja m₂ja gravitatsioonikonstant G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Mõlemad mõõdavad erinevaid jõude, varieeruvad suurema massi või laenguga ja sõltuvad teise võimsuse mõlema objekti raadiusest. Vaatamata sarnasustele on oluline meeles pidada, et gravitatsioonijõud on alati atraktiivsed, samas kui elektrijõud võivad olla atraktiivsed või tõrjuvad.

Peaksite arvestama ka sellega, et elektriline jõud on seaduste konstandide eksponentsiaalse võimsuse erinevuste põhjal tavaliselt palju raskem kui gravitatsioon. Nende kahe seaduse sarnasused näitavad rohkem sümmeetriat ja mustreid universumi üldiste seaduste seas.

Kui süsteem jääb isoleerituks (s.t ilma millegi muu kontaktita väljaspool seda), säästab see laengut. Laengu säilitamine tähendab, et elektrilaengu kogusumma (positiivne laeng miinus negatiivne laeng) jääb süsteemi jaoks samaks. Laengu säilitamine võimaldab füüsikutel ja inseneridel arvutada, kui palju laeng liigub süsteemide ja nende ümbruse vahel.

See põhimõte võimaldab teadlastel ja inseneridel luua Faraday puure, mis kasutavad metallist kilpe või katet, et vältida laengu väljapääsemist. Faraday puurid või Faraday kilbid kasutavad elektrivälja kalduvust laengute ümberjaotamiseks -. - materjal väli mõju kõrvaldamiseks ja tasude kahjustamise või sisenemise vältimiseks sisustus. Neid kasutatakse meditsiiniseadmetes, näiteks magnetresonantstomograafiaseadmetes, andmete vältimiseks moonutatud ning ohtlikes oludes töötavate elektrikute ja liinimeeste kaitsevarustus keskkondades.

Ruumi mahu netolaengu voo saate arvutada, arvutades sisestatud laengu summa ja lahutades lahkuva laengu kogu summa. Laengut kandvate elektronide ja prootonite kaudu saab laetud osakesi luua või hävitada, et tasakaalustada end vastavalt laengu säilimisele.

Teades, et elektroni laeng on –1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, laeng −8 × 10 ⁻¹⁸ C koosneks 50 elektronist. Selle leiate jagades elektrilaengu suuruse ühe elektroni laengu suurusega.

Kui teate elektrivool, elektrilaengu voog läbi objekti, liikudes läbi vooluahela ja kui kaua voolu rakendatakse, saate arvutada elektrilaengu, kasutades voolu võrrandit Q = See milles Q on kulonites mõõdetav kogulaeng, Mina on vool amprites ja t on aeg, mil voolu rakendatakse sekundites. Võite kasutada ka Ohmi seadust (V = IR) voolu arvutamiseks pinge ja takistuse järgi.

10 sekundit rakendatava vooluahelaga, mille pinge on 3 V ja takistus 5 Ω, on vastav vool Mina = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A ja kogu laeng oleks Q = see = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Kui teate potentsiaalset erinevust (V) vooluringis ja töös (W) selle kasutamisperioodil tehtud džaulides laeng kulonites, Q = W / V.

•••Syed Hussain Ather

Elektriväli, elektriline jõud laenguühiku kohta levib positiivsetest laengutest radiaalselt väljapoole negatiivsete laengute suunas ja seda saab arvutada E = F_E / q, milles F_E on elektriline jõud ja q on elektrivälja tekitav laeng. Arvestades, kui oluline on elektri ja magnetismi arvutuste väli ja jõud, võib elektrilaeng olla määratletakse aine omadusena, mis põhjustab osakese jõu elektri olemasolul valdkonnas.

Isegi kui objekti netolaeng või kogulaeng on null, võimaldavad elektriväljad laenguid objektide sees jaotada mitmesugustel viisidel. Kui nende sees on laengujaotusi, mille tulemuseks on nullist erinev laeng, siis need objektid on polariseeritudja nende polarisatsioonide põhjustatud laengut nimetatakse seotud tasud.

Ehkki teadlased pole kõik nõus universumi kogulaenguga, on nad erinevate meetoditega teinud haritud oletusi ja testinud hüpoteese. Võite täheldada, et gravitatsioon on universumis domineeriv jõud kosmoloogilises skaalas ja kuna elektromagnetiline jõud on palju tugevam kui gravitatsioonijõud, kui universumil oleks netolaeng (kas positiivne või negatiivne), siis näeksite selle kohta tõendeid nii suure vahemaad. Selle tõendi puudumine on pannud teadlasi uskuma, et universum on laengu suhtes neutraalne.

Kas universum on alati olnud laengu suhtes neutraalne või kuidas on universumi laeng pärast suurt pauku muutunud, on ka vaieldavad küsimused. Kui universumil oleks netolaeng, peaks teadlastel olema võimalik mõõta nende tendentse ja mõju kõigile elektrivälja liinid sellisel viisil, et positiivsete laengute ja negatiivsete laengute vahel ühenduse loomise asemel nad seda teeksid ei lõpe kunagi. Selle tähelepaneku puudumine osutab ka argumendile, et universumil puudub netolaeng.

•••Syed Hussain Ather

The elektrivoog läbi tasapinnalise (s.o tasase) ala A elektrivälja E on väli korrutatud väljaga risti oleva ala komponendiga. Selle risti oleva komponendi saamiseks kasutate voo valemis välja ja huvipakkuva tasandi vahelise nurga koosinust, mida tähistab Φ = EA cos (θ), kus θ on alaga risti oleva joone ja elektrivälja suuna vaheline nurk.

See võrrand, mida nimetatakse Gaussi seadus, ütleb teile seda ka selliste pindade jaoks, mida te nimetate Gaussi pinnad, mis tahes netolaeng asuks selle tasapinna pinnal, kuna see oleks vajalik elektrivälja tekitamiseks.

Kuna see sõltub voo arvutamisel kasutatud pinna geomeetriast, varieerub see sõltuvalt kujust. Ringikujulise ala puhul voo pindala A oleks π_r_² koos r ringi raadiusena või silindri kõvera pinna korral oleks voo pindala Ch milles C on ringikujulise silindripinna ümbermõõt ja h on silindri kõrgus.

Staatiline elekter tekib siis, kui kaks objekti ei ole elektrilises tasakaalus (või elektrostaatiline tasakaal) või et toimub laengute netovoog ühelt objektilt teisele. Kui materjalid üksteise vastu hõõruvad, edastavad nad laenguid üksteise vahel. Sokkide vaibale hõõrumine või täispuhutud õhupalli kumm juustele võib tekitada neid elektrivorme. Šokk kannab need liigsed tasud tagasi, et taastada tasakaaluolek.

Le dirigent (elektrit edastav materjal) elektrostaatilises tasakaalus on sees olev elektriväli null ja selle pinna netolaeng peab jääma elektrostaatilisse tasakaalu. Selle põhjuseks on asjaolu, et kui oleks väli, jaotuksid juhis olevad elektronid väljale vastuseks ümber või joonduksid. Nii tühistaksid nad kõik väljad kohe, kui see luuakse.

Alumiinium ja vasktraat on tavalised juhtmaterjalid, mida kasutatakse voolude ja ioonjuhtmete edastamiseks kasutatakse sageli ka lahendusi, mis kasutavad laengu läbilaskmiseks vabalt hõljuvaid ioone lihtsalt. Pooljuhidnagu kiibid, mis lasevad arvutitel toimida, kasutavad ka vabalt ringlevaid elektrone, kuid mitte nii palju kui dirigendid. Pooljuhid nagu räni ja germaanium vajavad ka laengute ringlemiseks rohkem energiat ja nende juhtivus on üldiselt madal. Seevastu isolaatorid nagu puit, ei lase laengul neist hõlpsalt voolata.

Kui välja pole sees, peab Gaussi pinna korral, mis asub otse juhi pinnal, väli olema igal pool null, nii et voog oleks null. See tähendab, et juhi sees pole võrgu elektrilaengut. Selle põhjal võite järeldada, et sümmeetriliste geomeetriliste struktuuride, nagu kerad, korral jaotub laeng end ühtlaselt Gaussi pinna pinnale.

Kuna pinna netolaeng peab jääma elektrostaatilises tasakaalus, peab mis tahes elektriväli olema risti juhi pinnaga, et materjal saaks laenguid edastada. Gaussi seadus võimaldab teil arvutada selle elektrivälja suuruse ja dirigendi voo. Juhi sees olev elektriväli peab olema null ja väljaspool seda olema pinnaga risti.

See tähendab, et silindrilise juhi korral, mille väli kiirgub seintest risti, on kogu voog lihtsalt 2_E__πr_² elektrivälja jaoks E ja r silindrilise juhi ümmarguse näo raadius. Kasutades saab kirjeldada ka pinnalaotust σ, laengu tihedus pindalaühiku kohta, korrutatuna pindalaga.