Kako izračunati električni naboj

Bez obzira radi li se o statičkom elektricitetu koji daje krzneni kaput ili elektricitetu koji napaja televizore, više o električnom naboju možete saznati razumijevanjem osnovne fizike. Metode za izračunavanje naboja ovise o prirodi same električne energije, poput principa kako se naboj distribuira kroz predmete. Ovi su principi isti bez obzira gdje se nalazili u svemiru, čineći električni naboj temeljnim svojstvom same znanosti.

Postoji mnogo načina izračunavanja električno punjenje za različite kontekste u fizici i elektrotehnici.

Coulombov zakon obično se koristi pri izračunavanju sile koja nastaje zbog čestica koje nose električni naboj i jedna je od najčešćih jednadžbi električnog naboja koju ćete koristiti. Elektroni nose pojedinačne naboje od -1602 × 10^-19 kuloni (C) i protoni nose istu količinu, ali u pozitivnom smjeru, 1.602 × 10 ⁻¹⁹ C. Za dvije optužbe q₁ i q₂_koji su odvojeni razmakom _r, možete izračunati električnu silu F_E generirano pomoću Coulomb-ovog zakona:

u kojem k je konstanta k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Fizičari i inženjeri ponekad koriste varijablu e da se odnosi na naboj elektrona.

Imajte na umu da je za naboje suprotnih predznaka (plus i minus) sila negativna i stoga privlačna između dva naboja. Za dva naboja istog predznaka (plus i plus ili minus i minus) sila je odbojna. Što su naboji veći, jača je privlačna ili odbojna sila između njih.

Coulombov zakon ima zapanjujuću sličnost s Newtonovim zakonom gravitacijske sile F_{G ​} = G m₁m₂ / r² za gravitacijsku silu F_G, mise m₁i m₂, i gravitacijska konstanta G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Oboje mjere različite sile, variraju s većom masom ili nabojem i ovise o radijusu između oba objekta do druge snage. Unatoč sličnostima, važno je zapamtiti da su gravitacijske sile uvijek privlačne, dok električne sile mogu biti privlačne ili odbojne.

Također biste trebali primijetiti da je električna sila općenito puno jača od gravitacije na temelju razlika u eksponencijalnoj snazi ​​konstanti zakona. Sličnosti između ova dva zakona veći su pokazatelj simetrije i obrazaca među zajedničkim zakonima svemira.

Ako sustav ostane izoliran (tj. Bez kontakta s bilo čim drugim izvan njega), sačuvat će naboj. Očuvanje naboja znači da ukupna količina električnog naboja (pozitivni naboj minus negativni naboj) ostaje ista za sustav. Očuvanje naboja omogućuje fizičarima i inženjerima da izračunaju koliko se naboja kreće između sustava i njihove okoline.

Ovaj princip omogućuje znanstvenicima i inženjerima da stvore Faradayeve kaveze koji koriste metalne štitove ili premaz kako bi spriječili istjecanje naboja. Faradayevi kavezi ili Faradayevi štitovi koriste tendenciju električnog polja da ponovno rasporedi naboje unutar materijal za poništavanje učinka polja i sprečavanje nanošenja štete ili ulaska u unutrašnjost. Koriste se u medicinskoj opremi, poput strojeva za magnetsku rezonancu, kako bi se spriječili podaci iskrivljeni i u zaštitnoj opremi za električare i tehničare koji rade u opasnim situacijama okruženja.

Možete izračunati neto protok naboja za volumen prostora izračunavanjem ukupne količine naboja koji ulazi i oduzimanjem ukupne iznosa napunjenosti. Kroz elektrone i protone koji nose naboj, nabijene čestice mogu se stvoriti ili uništiti kako bi se uravnotežile prema očuvanju naboja.

Znajući da je naboj elektrona -11.602 × 10 ⁻¹⁹ C, naboj od -8 × 10 ⁻¹⁸ C bi se sastojao od 50 elektrona. To možete pronaći dijeljenjem količine električnog naboja s veličinom naboja pojedinog elektrona.

Ako znate električna struja, protok električnog naboja kroz objekt, koji prolazi kroz krug i koliko dugo se primjenjuje struja, možete izračunati električni naboj koristeći jednadžbu za struju P = To u kojem P je ukupni naboj izmjeren u kulonima, Ja je struja u pojačalima i t je vrijeme primjene struje u sekundama. Također se možete poslužiti Ohmovim zakonom (V = IR) za izračun struje iz napona i otpora.

Za krug s naponom 3 V i otporom 5 Ω koji se primjenjuje 10 sekundi, odgovarajuća struja koja je rezultat je Ja = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, a ukupni naboj bi bio Q = To = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Ako znate potencijalnu razliku (V) u voltima primijenjenim u krugu i rad (W) u džulima učinjenim tijekom razdoblja u kojem je primijenjen, naboj u kulonima, P = W / V.

•••Syed Hussain Ather

Električno polje, električna sila po jedinici naboja, širi se radijalno prema van od pozitivnih naboja prema negativnim nabojima i može se izračunati s E = F_E / q, u kojem F_E je električna sila i q je naboj koji stvara električno polje. S obzirom na to koliko su polje i sila osnovni za proračune u električnoj energiji i magnetizmu, električni naboj može biti definirano kao svojstvo materije koje uzrokuje da čestica ima silu u prisutnosti električne polje.

Čak i ako je neto ili ukupni naboj na objektu nula, električna polja omogućuju raspodjelu naboja na različite načine unutar objekata. Ako unutar njih postoje raspodjele naboja koje rezultiraju nultoj neto naboji, ti su objekti polarizirano, a naboj koji uzrokuju ove polarizacije poznati su kao vezani naboji.

Iako se znanstvenici ne slažu oko ukupnog naboja svemira, iznijeli su obrazovana nagađanja i testirali hipoteze različitim metodama. Možete primijetiti da je gravitacija dominantna sila u svemiru na kozmološkoj ljestvici i, jer je elektromagnetska sila mnogo jača od gravitacijske sile, ako bi svemir imao neto naboj (bilo pozitivan ili negativan), tada biste mogli vidjeti dokaze o njemu na tako velikom udaljenosti. Odsutnost ovih dokaza navela je istraživače da vjeruju da je svemir neutralan.

Je li svemir uvijek bio naboj neutralan ili se naboj svemira promijenio od Velikog praska, također su pitanja o kojima se treba raspravljati. Ako je svemir imao neto naboj, tada bi znanstvenici trebali moći izmjeriti svoje tendencije i učinke na sve vodovi električnog polja na takav način da, umjesto da se povežu s pozitivnih na negativne naboje, oni bi nikad kraja. Odsutnost ovog zapažanja također upućuje na argument da svemir nema neto naboj.

•••Syed Hussain Ather

The električni tok kroz ravninsko (tj. ravno) područje A električnog polja E je polje pomnoženo s komponentom površine okomite na polje. Da biste dobili ovu okomitu komponentu, koristite kosinus kuta između polja i ravnine koja nas zanima u formuli za tok, predstavljenu s Φ = EA jer (θ), gdje θ je kut između pravca okomitog na područje i smjera električnog polja.

Ova jednadžba, poznata kao Gaussov zakon, također vam to govori, za površine poput ovih, koje vi nazivate Gaussove površine, bilo koji neto naboj nalazio bi se na njezinoj površini ravnine, jer bi bilo potrebno stvoriti električno polje.

Budući da to ovisi o geometriji površine površine koja se koristi za izračunavanje protoka, ona ovisi o obliku. Za kružno područje, područje fluksa A bio bi π_r_² s r kao radijus kruga ili za zakrivljenu površinu cilindra, površina fluksa bila bi CH u kojem C je opseg površine kružnog cilindra i h je visina cilindra.

Statična struja nastaje kad dva predmeta nisu u električnoj ravnoteži (ili elektrostatska ravnoteža), ili, da postoji neto protok naboja s jednog predmeta na drugi. Kako se materijali trljaju jedan o drugi, oni međusobno prenose naboje. Trljanje čarapa na tepih ili gume napuhanog balona na kosi može generirati ove oblike električne energije. Šok vraća te suvišne naboje natrag, da bi se ponovno uspostavilo stanje ravnoteže.

Za dirigent (materijal koji prenosi električnu energiju) u elektrostatskoj ravnoteži, električno polje unutra je nula i neto naboj na njegovoj površini mora ostati u elektrostatskoj ravnoteži. To je zato što bi se, da postoji polje, elektroni u vodiču preraspodijelili ili poravnali kao odgovor na polje. Na taj bi način poništili svako polje čim bi bilo stvoreno.

Aluminij i bakrena žica uobičajeni su vodički materijali koji se koriste za prijenos struja i ionski vodiči Također se često koriste, a to su rješenja koja koriste slobodno plutajuće ione da propuste naboj lako. Poluvodiči, kao što su čipovi koji omogućuju računalu da funkcioniraju, koriste i elektrone koji cirkuliraju, ali ne toliko kao vodiči. Poluvodiči poput silicija i germanija također zahtijevaju više energije kako bi naboji cirkulirali i općenito imaju malu vodljivost. Po kontrastu, izolatori kao što je drvo ne dopušta da naboj lako teče kroz njih.

Bez unutrašnjeg polja, za Gaussovu površinu koja leži tik unutar površine vodiča, polje mora biti svugdje nula tako da je tok nula. To znači da unutar vodiča nema neto električnog naboja. Iz toga možete zaključiti da se za simetrične geometrijske strukture kao što su kugle naboj ravnomjerno raspoređuje na površini Gaussove površine.

Budući da neto naboj na površini mora ostati u elektrostatičkoj ravnoteži, svako električno polje mora biti okomito na površinu vodiča kako bi materijal mogao prenositi naboje. Gaussov vam zakon omogućuje izračunavanje veličine ovog električnog polja i fluksa za vodič. Električno polje unutar vodiča mora biti nula, a izvana mora biti okomito na površinu.

To znači da je za cilindrični vodič s poljem koji zrači od stijenki pod okomitim kutom ukupni tok jednostavno 2_E__πr_² za električno polje E i r polumjer kružne površine cilindričnog vodiča. Također možete opisati neto naboj na površini σ, gustoća naboja po jedinici površine, pomnoženo s površinom.