Kuinka laskea sähkövaraus

Olipa staattinen sähkö tuuhea takki tai sähkö, joka käyttää televisiota, voit oppia lisää sähkövarauksesta ymmärtämällä taustalla olevaa fysiikkaa. Laskennan menetelmät riippuvat itse sähkön luonteesta, kuten periaatteet siitä, kuinka varaus jakautuu esineiden kautta. Nämä periaatteet ovat samat riippumatta siitä, missä olet maailmankaikkeudessa, jolloin sähkövarauksesta tulee itse tieteen perusominaisuus.

Laskentatapoja on monia sähkövaraus fysiikan ja sähkötekniikan eri yhteyksille.

Coulombin laki käytetään yleensä laskettaessa voimaa, joka johtuu hiukkasista, joilla on sähkövarausta, ja se on yksi yleisimmistä käyttämistäsi sähkövarauksen yhtälöistä. Elektronit kantavat yksittäisiä varauksia −1,602 × 10^-19 coulombit (C) ja protonit kuljettavat saman määrän, mutta positiiviseen suuntaan 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. Kahdesta maksusta q₁ ja q₂_ jotka on erotettu etäisyydellä _r, voit laskea sähkövoiman F_E luotu käyttäen Coulombin lakia:

jossa k on vakio

Huomaa, että vastakkaisten merkkien (plus ja miinus) varauksille voima on negatiivinen ja siten houkutteleva kahden latauksen välillä. Kahden saman merkin latauksen (plus ja plus tai miinus ja miinus) voima on vastenmielinen. Mitä suuremmat varaukset ovat, sitä vahvempi houkutteleva tai hylkivä voima on niiden välillä.

Coulombin laki on silmiinpistävää samanlaista Newtonin lain kanssa painovoiman suhteen F_{G ​} = G m₁m₂ / r² painovoimalle F_G, massat m₁ja m₂ja painovoiman vakio G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Ne molemmat mittaavat erilaisia ​​voimia, vaihtelevat suuremman massan tai varauksen mukaan ja riippuvat toisen tehon molempien esineiden välisestä säteestä. Yhtäläisyyksistä huolimatta on tärkeää muistaa, että painovoimat ovat aina houkuttelevia, kun taas sähkövoimat voivat olla houkuttelevia tai vastenmielisiä.

Huomaa myös, että sähkövoima on yleensä paljon voimakkaampi kuin painovoima, joka perustuu lakien vakioiden eksponentiaalisen voiman eroihin. Näiden kahden lain yhtäläisyydet osoittavat enemmän symmetriaa ja kaavioita universumin yleisten lakien joukossa.

Jos järjestelmä pysyy eristettynä (ts. Ilman yhteyttä mihinkään muuhun sen ulkopuolella), se säästää varausta. Maksun säilyttäminen tarkoittaa, että sähkövarauksen kokonaismäärä (positiivinen varaus miinus negatiivinen varaus) pysyy järjestelmässä samana. Latauksen säästämisen avulla fyysikot ja insinöörit voivat laskea, kuinka paljon latausta liikkuu järjestelmien ja niiden ympäristön välillä.

Tämä periaate antaa tutkijoille ja insinööreille mahdollisuuden luoda Faradayn häkkejä, jotka käyttävät metallisia suojuksia tai pinnoitteita estääkseen latauksen pääsemisen ulos. Faradayn häkit tai Faraday-kilvet käyttävät sähkökentän taipumusta jakaa maksuja uudelleen materiaalia kentän vaikutuksen poistamiseksi ja maksujen vahingoittumisen tai pääsyn estämiseksi sisustus. Näitä käytetään lääketieteellisissä laitteissa, kuten magneettikuvauskoneissa, tietojen estämiseksi vääristyneinä ja suojavarusteissa vaarallisissa tiloissa työskenteleville sähköasentajille ja ympäristöissä.

Voit laskea tilamäärän nettovarauksen laskemalla syötetyn varauksen kokonaismäärän ja vähentämällä lähtevän varauksen kokonaismäärän. Elektronia ja protoneja, jotka kuljettavat varausta, voidaan luoda tai tuhota varautuneita hiukkasia tasapainottaakseen itsensä varauksen säilymisen mukaan.

Tietäen, että elektronin varaus on -1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, lataus −8 × 10 ⁻¹⁸ C koostuu 50 elektronista. Löydät tämän jakamalla sähkövarauksen määrä yksittäisen elektronin varauksen suuruudella.

Jos tiedät sähkövirta, sähkövaraus kohteen läpi, kulkee piirin läpi ja kuinka kauan virtaa käytetään, voit laskea sähkövarauksen käyttämällä virran yhtälöä Q = Se jossa Q on kulloina mitattu kokonaispanos, Minä on virta ampeereina ja t on aika, jolloin virta syötetään sekunneissa. Voit käyttää myös Ohmin lakia (V = IR) virran laskemiseksi jännitteestä ja vastuksesta.

Piirille, jonka jännite on 3 V ja vastus 5 Ω ja jota käytetään 10 sekunnin ajan, vastaava tuloksena oleva virta on Minä = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, ja kokonaisvaraus olisi Q = Se = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Jos tiedät potentiaalisen eron (V) volttina piirissä ja työssä (W) joulina sen ajanjakson aikana, jonka aikana sitä käytetään, varaus kulona, Q = W / V.

•••Syed Hussain Ather

Sähkökenttä, sähkövoima latausyksikköä kohti leviää säteittäisesti ulospäin positiivisista varauksista negatiivisiin varauksiin ja voidaan laskea E = F_E / q, jossa F_E on sähkövoima ja q on varaus, joka tuottaa sähkökentän. Kun otetaan huomioon kuinka suuri kenttä ja voima ovat sähkön ja magnetismin laskemiseen, sähkövaraus voi Määritetään aineen ominaisuudeksi, joka aiheuttaa hiukkaselle voiman sähkön läsnä ollessa ala.

Vaikka kohteen nettomääräinen tai kokonaisvaraus on nolla, sähkökentät sallivat varausten jakautumisen eri tavoin esineiden sisällä. Jos niiden sisällä on varausjakaumia, jotka johtavat nollasta poikkeavaan nettovaraukseen, nämä objektit ovat polarisoitunutja näiden polarisaatioiden aiheuttama varaus tunnetaan nimellä sidottuja maksuja.

Vaikka tiedemiehet eivät ole yhtä mieltä siitä, mikä on maailmankaikkeuden kokonaisvaraus, he ovat tehneet koulutettuja arvauksia ja testanneet hypoteeseja useilla menetelmillä. Saatat huomata, että painovoima on hallitseva voima maailmankaikkeudessa kosmologisella mittakaavalla, ja koska sähkömagneettinen voima on paljon vahvempi kuin painovoima, jos maailmankaikkeudella olisi nettovaraus (joko positiivinen tai negatiivinen), niin voisit nähdä todisteita siitä niin suurella etäisyydet. Tämän todistuksen puuttuminen on saanut tutkijat uskomaan, että maailmankaikkeus on latausneutraali.

Onko maailmankaikkeus aina ollut latausneutraali vai kuinka maailmankaikkeuden varaus on muuttunut alkuräjähdyksen jälkeen, ovat myös keskusteltavia kysymyksiä. Jos maailmankaikkeudella olisi nettovaraus, tutkijoiden pitäisi pystyä mittaamaan niiden taipumuksia ja vaikutuksia kaikkiin sähkökenttäjohdot tavalla, joka sen sijaan, että yhdistettäisiin positiivisista varauksista negatiivisiin, ne tekisivät ei lopu koskaan. Tämän havainnon puuttuminen viittaa myös väitteeseen, jonka mukaan universumilla ei ole nettovarausta.

•••Syed Hussain Ather

sähkövirta tasaisen (ts. tasaisen) alueen läpi A sähkökentän E on kenttä kerrottuna kenttään kohtisuorassa olevan alueen komponentilla. Saadaksesi tämän kohtisuoran komponentin, käytä kentän ja kiinnostavan tason välisen kulman kosinia vuon kaavassa, jota edustaa Φ = EA cos (θ), missä θ on alueeseen kohtisuoran viivan ja sähkökentän suunnan välinen kulma.

Tämä yhtälö, joka tunnetaan nimellä Gaussin laki, kertoo myös, että tällaisille pinnoille, joita kutsut Gaussin pinnat, mikä tahansa nettovaraus asuisi sen tason pinnalla, koska se olisi tarpeen luoda sähkökenttä.

Koska tämä riippuu vuon laskemisessa käytetyn pinnan pinta-alan geometriasta, se vaihtelee muodon mukaan. Pyöreälle alueelle vuon alue A olisi π_r_² kanssa r kuten ympyrän säde tai sylinterin kaareva pinta, vuon pinta-ala olisi Ch jossa C on pyöreän sylinteripinnan ympärys ja h on sylinterin korkeus.

Staattinen sähkö syntyy, kun kaksi esinettä ei ole sähköisessä tasapainossa (tai sähköstaattinen tasapaino), tai että esineiden välillä on nettovirta. Kun materiaalit hankautuvat toisiaan vastaan, ne siirtävät maksuja keskenään. Sukkien hierominen matolle tai paisutetun ilmapallon kumi hiuksillesi voi tuottaa tällaista sähköä. Isku siirtää nämä ylimääräiset maksut takaisin tasapainotilan palauttamiseksi.

A kapellimestari (materiaali, joka välittää sähköä) sähköstaattisessa tasapainossa, sisällä oleva sähkökenttä on nolla ja sen pinnan nettovarauksen on pysyttävä sähköstaattisessa tasapainossa. Tämä johtuu siitä, että jos kenttä olisi olemassa, johtimessa olevat elektronit jakautuisivat uudelleen tai kohdistuisivat itseään vastauksena kenttään. Tällä tavoin he peruuttaisivat minkä tahansa kentän heti, kun se luotiin.

Alumiini ja kuparilanka ovat yleisiä johdinmateriaaleja, joita käytetään virtojen ja ionijohtimien siirtämiseen käytetään myös usein, jotka ovat ratkaisuja, jotka käyttävät vapaasti kelluvia ioneja latauksen virtaamiseksi helposti. Puolijohteet, kuten sirut, joiden avulla tietokoneet voivat toimia, käyttävät myös vapaasti kiertäviä elektroneja, mutta eivät niin paljon kuin johtimet. Puolijohteet, kuten pii ja germanium, vaativat myös enemmän energiaa päästöjen kiertämiseksi ja niiden johtavuus on yleensä heikko. Sitä vastoin, eristimet kuten puu, eivät anna latauksen virrata helposti niiden läpi.

Kun sisällä ei ole kenttää, Gaussin pinnan kohdalla, joka sijaitsee vain johtimen pinnan sisällä, kentän on oltava nolla kaikkialla, jotta virtaus on nolla. Tämä tarkoittaa, että johtimen sisällä ei ole nettosähkövarausta. Tästä voit päätellä, että symmetrisille geometrisille rakenteille, kuten palloille, varaus jakautuu tasaisesti Gaussin pinnan pinnalle.

Koska pinnan nettovarauksen on pysyttävä sähköstaattisessa tasapainossa, minkä tahansa sähkökentän on oltava kohtisuorassa johtimen pintaan nähden, jotta materiaali voi välittää varauksia. Gaussin lain avulla voit laskea tämän sähkökentän suuruuden ja johtimen virtauksen. Johtimen sisällä olevan sähkökentän on oltava nolla ja sen ulkopuolella kohtisuorassa pintaa vastaan.

Tämä tarkoittaa, että sylinterimäiselle johtimelle, jonka kenttä säteilee seinistä kohtisuorassa kulmassa, kokonaisvirta on yksinkertaisesti 2_E__πr_² sähkökentälle E ja r sylinterimäisen johtimen pyöreän pinnan säde. Voit myös kuvata pinnan nettovarauksen käyttämällä σ, lataustiheys pinta-alayksikköä kohti kerrottuna pinta-alalla.