Az elektromos töltés kiszámítása

Legyen szó szőrös kabát által leadott statikus elektromosságról vagy a televíziókészülékeket működtető villamos energiáról, többet megtudhat az elektromos töltésről az alapul szolgáló fizika megértésével. A töltés kiszámításának módszerei a villamos energia természetétől függenek, például az elvek arról, hogy a töltés hogyan oszlik el tárgyakon keresztül. Ezek az elvek ugyanazok, függetlenül attól, hogy hol tartózkodsz az univerzumban, így az elektromos töltés maga a tudomány alapvető tulajdonsága.

Számításának számos módja van elektromos töltés különböző összefüggésekben a fizika és az elektrotechnika területén.

Coulomb törvénye általában az elektromos töltést hordozó részecskékből származó erő kiszámításakor használják, és ez az egyik leggyakoribb elektromos töltési egyenlet, amelyet használni fog. Az elektronok -1,1602 × 10 egyedi töltést hordoznak^-19 a coulombok (C) és a protonok ugyanannyit hordoznak, de a pozitív irányban 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. Két díjért q₁ és q

amiben k állandó k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². A fizikusok és a mérnökök néha használják a változót e hogy utaljak egy elektron töltésére.

Vegye figyelembe, hogy ellentétes előjelű (plusz és mínusz) töltések esetén az erő negatív, ezért vonzó a két töltés között. Két ugyanazon előjelű töltésnél (plusz és plusz vagy mínusz és mínusz) az erő visszataszító. Minél nagyobbak a töltések, annál erősebb a vonzó vagy taszító erő közöttük.

Coulomb törvénye szembetűnő hasonlóságot mutat Newton gravitációs erőre vonatkozó törvényével F_{G ​} = G m₁m₂ / r² a gravitációs erőhöz F_G, misék m₁és m₂és a gravitációs állandó G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Mindkettő különböző erőket mér, nagyobb tömeggel vagy töltéssel változik, és függ a két objektum közötti sugártól a második teljesítményig. A hasonlóságok ellenére fontos megjegyezni, hogy a gravitációs erők mindig vonzóak, míg az elektromos erők vonzóak vagy visszataszítóak lehetnek.

Azt is meg kell jegyezned, hogy az elektromos erő általában sokkal erősebb, mint a gravitáció, a törvények állandóinak exponenciális teljesítményében mutatkozó különbségek alapján. A két törvény közötti hasonlóság jobban jelzi a szimmetriát és a mintákat az univerzum általános törvényei között.

Ha egy rendszer elszigetelt marad (vagyis anélkül, hogy rajta kívül mással érintkezne), akkor megőrzi a töltést. A töltés megőrzése azt jelenti, hogy az elektromos töltés teljes összege (pozitív töltés mínusz negatív töltés) ugyanaz marad a rendszer számára. A töltés megőrzése lehetővé teszi a fizikusok és mérnökök számára, hogy kiszámítsák, mekkora töltés mozog a rendszerek és a környezetük között.

Ez az elv lehetővé teszi a tudósok és mérnökök számára, hogy Faraday ketreceket hozzanak létre, amelyek fémes pajzsokat vagy bevonatokat használnak a töltet szökésének megakadályozására. A Faraday-ketrecek vagy a Faraday-pajzsok egy elektromos mező hajlamát használják a töltések újrafelosztására anyag a mező hatásának kiküszöbölésére, és megakadályozza a díjak károsodását vagy belépését a belső. Ezeket orvosi berendezésekben, például mágneses rezonancia képalkotó gépekben használják, hogy megakadályozzák az adatok bejutását torzulnak, és védőfelszerelésben vannak a veszélyes járművekben dolgozó villanyszerelők és bérmunkások számára környezetek.

Kiszámíthatja a tér térfogatának nettó töltési áramlását azáltal, hogy kiszámítja a belépő töltés teljes összegét, és kivonja a távozó töltés teljes összegét. A töltést hordozó elektronok és protonok révén feltöltött részecskék keletkezhetnek vagy megsemmisülhetnek, hogy a töltés megőrzésének megfelelően kiegyensúlyozzák önmagukat.

Tudva, hogy egy elektron töltése -1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, −8 × 10 töltés ⁻¹⁸ A C 50 elektronból állna. Ezt úgy találhatja meg, hogy az elektromos töltés mennyiségét elosztja egyetlen elektron töltésének nagyságával.

Ha tudod a elektromos áram, az elektromos töltés áramlása egy tárgyon, áramkörön keresztül haladva, és hogy az áram mennyi ideig működik, kiszámíthatja az elektromos töltést az áram egyenlete alapján Q = Azt amiben Q a coulombokban mért teljes töltés, én amperben van, és t az az idő, amikor az áramot másodpercekben alkalmazzák. Használhatja Ohm törvényét is (V = IR) az áram kiszámításához a feszültségből és az ellenállásból.

3 V feszültségű és 5 Ω ellenállású áramkör esetén, amelyet 10 másodpercig működtetnek, a megfelelő megfelelő áram az én = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, és a teljes töltet Q = It = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Ha ismeri a lehetséges különbséget (V) egy áramkörben alkalmazott feszültségben és a munkában (W) az általa alkalmazott időszak alatt elvégzett joule-ban, a töltés coulombokban, Q = W / V.

•••Syed Hussain Ather

Elektromos mező, az egységnyi töltésre jutó elektromos erő sugárirányban kifelé terjed a pozitív töltésektől negatív töltések felé, és ezzel kiszámítható E = F_E / q, amiben F_E az elektromos erő és q az elektromos teret létrehozó töltés. Tekintettel arra, hogy mennyire alapvető az erő és az erő a villamos energia és a mágnesesség számításaihoz, az elektromos töltés lehet az anyag azon tulajdonságaként határozható meg, amely egy részecske erejét okozza elektromos áram jelenlétében terület.

Még akkor is, ha egy tárgy nettó vagy teljes töltöttsége nulla, az elektromos mezők lehetővé teszik a töltések elosztását az objektumok belsejében. Ha vannak bennük olyan töltéseloszlások, amelyek nem nulla nettó töltést eredményeznek, akkor ezek az objektumok vannak polarizáltés ezeknek a polarizációknak a töltése ismert kötött díjak.

A tudósok ugyan nem értenek egyet abban, hogy mi az univerzum teljes töltete, de képzett találgatásokat tettek és hipotéziseket teszteltek különféle módszerekkel. Megfigyelheti, hogy a gravitáció a kozmológiai skálán a domináns erő az univerzumban, és mivel az elektromágneses erő sokkal erősebb mint a gravitációs erő, ha az univerzumnak nettó töltete lenne (akár pozitív, akár negatív), akkor ilyen hatalmas bizonyítékot látna távolságokat. Ezen bizonyítékok hiánya arra késztette a kutatókat, hogy úgy véljék, az univerzum töltéssemleges.

Az is vitatható kérdés, hogy az univerzum mindig töltéssemleges volt-e, vagy hogyan változott az univerzum töltése az ősrobbanás óta. Ha az univerzum nettó töltéssel rendelkezik, akkor a tudósoknak képesnek kell lenniük mérni tendenciáikat és hatásukat mindenkire az elektromos térvezetékeket oly módon, hogy ahelyett, hogy a pozitív töltéstől a negatív töltésig kapcsolódnának, megtennék véget nem érő. Ennek a megfigyelésnek a hiánya arra az érvre is rámutat, hogy az univerzumnak nincs nettó töltése.

•••Syed Hussain Ather

A elektromos fluxus sík (azaz sík) területen keresztül A egy elektromos mező E a mező szorozva a területre merőleges terület komponensével. A merőleges komponens megszerzéséhez a mező és az érdeklődési sík közötti szög koszinuszát kell használni a fluxus képletében, amelyet a Φ = EA kötözősaláta(θ), hol θ a területre merőleges vonal és az elektromos mező iránya közötti szög.

Ez az egyenlet, más néven Gauss-törvény, azt is elmondja, hogy az ilyen felületekhez, amelyeket Ön hív Gauss felületek, bármilyen nettó töltés a sík felszínén tartózkodna, mert szükséges lenne létrehozni az elektromos teret.

Mivel ez a fluxus kiszámításához használt felület területének geometriájától függ, az alaktól függően változik. Kör alakú terület esetén a fluxus területe A lenne π_r_² val vel r mint a kör sugara, vagy egy henger ívelt felülete esetén a fluxus területe lenne Ch amiben C a kör alakú hengerfelület kerülete és h a henger magassága.

Statikus elektromosság akkor jelenik meg, amikor két objektum nincs elektromos egyensúlyban (vagy elektrosztatikus egyensúly), vagy hogy az egyik tárgyról a másikra nettó töltés folyik. Ahogy az anyagok egymáshoz dörgölődnek, töltéseket visznek át egymás között. Ha zoknit dörzsöl a szőnyegre, vagy egy felfújt léggömb gumiját a haján generálhatja ezeket az áramokat. A sokk visszahozza ezeket a felesleges töltéseket, hogy helyreállítsa az egyensúlyi állapotot.

A karmester (olyan anyag, amely villamos energiát továbbít) elektrosztatikus egyensúlyban, a belső elektromos tér nulla, és a felületén lévő nettó töltésnek elektrosztatikus egyensúlyban kell maradnia. Ez azért van, mert ha lenne egy mező, akkor a vezető elektronjai a mezőre reagálva újra eloszlanak vagy újra beállítanák magukat. Így minden mezőt törölnének a létrehozás pillanatában.

Az alumínium és a rézhuzal az áramok és az ionvezetők átvitelére használt közös vezető anyagok gyakran használják is, amelyek olyan megoldások, amelyek szabadon lebegő ionokat használnak a töltés átáramlásához könnyen. Félvezetők, például a chipek, amelyek lehetővé teszik a számítógépek működését, szabadon keringő elektronokat is használnak, de nem annyira, mint a vezetők. A félvezetők, mint például a szilícium és a germánium, szintén több energiát igényelnek a töltések keringéséhez, és általában alacsony vezetőképességűek. Ellentétben, szigetelők mint például a fa, nem engedik, hogy a töltés könnyen átfolyjon rajtuk.

Ha nincs tér benne, akkor a Gauss-felülethez, amely éppen a vezető felületén fekszik, a mezőnek mindenhol nulla kell lennie, hogy a fluxus nulla legyen. Ez azt jelenti, hogy a vezető belsejében nincs nettó elektromos töltés. Ebből arra következtethet, hogy a szimmetrikus geometriai szerkezetek, például a gömbök esetében a töltés egyenletesen oszlik el a Gauss-felület felületén.

Mivel a felületen lévő nettó töltésnek elektrosztatikus egyensúlyban kell maradnia, minden elektromos térnek merőlegesnek kell lennie a vezető felületére, hogy az anyag továbbíthassa a töltéseket. Gauss törvénye lehetővé teszi, hogy kiszámolja ennek az elektromos mezőnek a nagyságát és fluxusát a vezető számára. A vezető belsejében lévő elektromos mezőnek nullának kell lennie, és kívülről merőlegesnek kell lennie a felületre.

Ez azt jelenti, hogy egy hengeres vezető esetében, amelynek mezője merőleges szögben sugárzik a falaktól, a teljes fluxus egyszerűen 2_E__πr_² elektromos mező számára E és r a hengeres vezető körfelületének sugara. A felületen lévő nettó töltést is leírhatja σ, a töltéssűrűség területegységenként, szorozva a területtel.