Cara Menghitung Muatan Listrik

Baik itu listrik statis yang dilepaskan oleh mantel berbulu atau listrik yang menggerakkan pesawat televisi, Anda dapat mempelajari lebih lanjut tentang muatan listrik dengan memahami fisika yang mendasarinya. Metode untuk menghitung muatan tergantung pada sifat listrik itu sendiri, seperti prinsip bagaimana muatan mendistribusikan dirinya melalui benda. Prinsip-prinsip ini sama di mana pun Anda berada di alam semesta, menjadikan muatan listrik sebagai sifat dasar sains itu sendiri.

Ada banyak cara menghitung muatan listrik untuk berbagai konteks dalam fisika dan teknik listrik.

hukum Coulomb umumnya digunakan saat menghitung gaya yang dihasilkan dari partikel yang membawa muatan listrik, dan merupakan salah satu persamaan muatan listrik paling umum yang akan Anda gunakan. Elektron membawa muatan individu sebesar 1,602 × 10^-19 coulomb (C), dan proton membawa jumlah yang sama, tetapi dalam arah positif, 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. Untuk dua biaya q₁ dan q₂_yang dipisahkan oleh jarak _r, Anda dapat menghitung gaya listrik F_E dihasilkan menggunakan hukum Coulomb:

di mana k adalah konstanta k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Fisikawan dan insinyur terkadang menggunakan variabel e mengacu pada muatan elektron.

Perhatikan bahwa, untuk muatan yang berlawanan tanda (plus dan minus), gayanya negatif dan, oleh karena itu, tarik menarik antara kedua muatan. Untuk dua muatan yang bertanda sama (plus dan plus atau minus dan minus), gayanya tolak-menolak. Semakin besar muatannya, semakin kuat gaya tarik menarik atau tolak menolak di antara keduanya.

Hukum Coulomb memiliki kemiripan yang mencolok dengan hukum Newton untuk gaya gravitasi F_{G ​} = G m₁saya₂ / r² untuk gaya gravitasi F_G, massa saya₁dan saya₂, dan konstanta gravitasi G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ saya³/ kg s². Keduanya mengukur gaya yang berbeda, bervariasi dengan massa atau muatan yang lebih besar dan bergantung pada jari-jari antara kedua benda hingga pangkat dua. Terlepas dari kesamaannya, penting untuk diingat bahwa gaya gravitasi selalu menarik sedangkan gaya listrik dapat menarik atau menolak.

Anda juga harus mencatat bahwa gaya listrik umumnya jauh lebih kuat daripada gravitasi berdasarkan perbedaan daya eksponensial dari konstanta hukum. Kesamaan antara kedua hukum ini merupakan indikasi yang lebih besar tentang simetri dan pola di antara hukum-hukum umum alam semesta.

Jika sistem tetap terisolasi (yaitu tanpa kontak dengan apa pun di luarnya), itu akan menghemat biaya. Konservasi muatan berarti jumlah total muatan listrik (muatan positif dikurangi muatan negatif) tetap sama untuk sistem. Konservasi muatan memungkinkan fisikawan dan insinyur menghitung berapa banyak muatan yang bergerak antara sistem dan lingkungannya.

Prinsip ini memungkinkan para ilmuwan dan insinyur membuat sangkar Faraday yang menggunakan pelindung atau pelapis logam untuk mencegah muatan keluar. Sangkar Faraday atau perisai Faraday menggunakan kecenderungan medan listrik untuk mendistribusikan kembali muatan di dalam bahan untuk membatalkan efek lapangan dan mencegah muatan merusak atau memasuki pedalaman. Ini digunakan dalam peralatan medis seperti mesin pencitraan resonansi magnetik, untuk mencegah data dari terdistorsi, dan dalam alat pelindung untuk tukang listrik dan linemen yang bekerja di tempat berbahaya lingkungan.

Anda dapat menghitung aliran muatan bersih untuk volume ruang dengan menghitung jumlah total muatan yang masuk dan mengurangkan jumlah total muatan yang keluar. Melalui elektron dan proton yang membawa muatan, partikel bermuatan dapat diciptakan atau dihancurkan untuk menyeimbangkan diri sesuai dengan kekekalan muatan.

Diketahui bahwa muatan elektron adalah 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, muatan 8 × 10 ⁻¹⁸ C akan terdiri dari 50 elektron. Anda dapat menemukan ini dengan membagi jumlah muatan listrik dengan besarnya muatan satu elektron.

Jika Anda tahu arus listrik, aliran muatan listrik melalui suatu benda, perjalanan melalui sirkuit dan berapa lama arus diterapkan, Anda dapat menghitung muatan listrik menggunakan persamaan untuk arus Q = Saya t di mana Q adalah muatan total yang diukur dalam coulomb, saya adalah arus dalam ampere, dan untuk adalah waktu saat arus diterapkan dalam detik. Anda juga dapat menggunakan hukum Ohm (V = IR) untuk menghitung arus dari tegangan dan hambatan.

Untuk rangkaian dengan tegangan 3 V dan hambatan 5 yang diberikan selama 10 detik, arus yang dihasilkan adalah saya = V / R = 3 V / 5 = 0,6 A, dan muatan totalnya adalah Q = Ini = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Jika diketahui beda potensial (V) dalam volt yang diterapkan dalam suatu rangkaian dan usaha (W) dalam joule dilakukan selama periode yang diterapkan, muatan dalam coulomb, Q = W / V.

•••Syed Hussain Ather

Medan listrik, gaya listrik per satuan muatan, menyebar secara radial keluar dari muatan positif menuju muatan negatif dan dapat dihitung dengan E = F_E / q, di mana F_E adalah gaya listrik dan q adalah muatan yang menghasilkan medan listrik. Mengingat betapa mendasarnya medan dan gaya dalam perhitungan listrik dan magnet, muatan listrik dapat: didefinisikan sebagai sifat materi yang menyebabkan partikel memiliki gaya dengan adanya listrik bidang.

Bahkan jika muatan bersih, atau total, pada suatu benda adalah nol, medan listrik memungkinkan muatan untuk didistribusikan dalam berbagai cara di dalam benda. Jika ada distribusi muatan di dalamnya yang menghasilkan muatan bersih bukan nol, benda-benda ini adalah: terpolarisasi, dan muatan yang menyebabkan polarisasi ini dikenal sebagai biaya terikat.

Meskipun para ilmuwan tidak semua setuju tentang apa muatan total alam semesta, mereka telah membuat tebakan dan menguji hipotesis melalui berbagai metode. Anda mungkin mengamati bahwa gravitasi adalah gaya dominan di alam semesta pada skala kosmologis, dan, karena gaya elektromagnetik jauh lebih kuat. daripada gaya gravitasi, jika alam semesta memiliki muatan bersih (baik positif atau negatif), maka Anda akan dapat melihat buktinya pada kecepatan yang sangat besar. jarak. Tidak adanya bukti ini telah membuat para peneliti percaya bahwa alam semesta adalah muatan netral.

Apakah alam semesta selalu bermuatan netral atau bagaimana muatan alam semesta telah berubah sejak big bang juga merupakan pertanyaan yang dapat diperdebatkan. Jika alam semesta memiliki muatan bersih, maka para ilmuwan harus dapat mengukur kecenderungan dan efeknya pada semua garis medan listrik sedemikian rupa sehingga, alih-alih menghubungkan dari muatan positif ke muatan negatif, mereka akan tidak pernah berakhir. Tidak adanya pengamatan ini juga menunjukkan argumen bahwa alam semesta tidak memiliki muatan bersih.

•••Syed Hussain Ather

Itu fluks listrik melalui bidang planar (yaitu datar). SEBUAH medan listrik E adalah bidang dikalikan dengan komponen luas yang tegak lurus bidang. Untuk mendapatkan komponen tegak lurus ini, Anda menggunakan kosinus sudut antara bidang dan bidang yang diinginkan dalam rumus fluks, yang diwakili oleh = EA karena(θ), dimana θ adalah sudut antara garis yang tegak lurus terhadap luas dan arah medan listrik.

Persamaan ini, dikenal sebagai Hukum Gauss, juga memberi tahu Anda bahwa, untuk permukaan seperti ini, yang Anda sebut permukaan Gauss, setiap muatan bersih akan berada pada permukaan bidangnya karena akan diperlukan untuk menciptakan medan listrik.

Karena ini tergantung pada geometri luas permukaan yang digunakan dalam menghitung fluks, maka bervariasi tergantung pada bentuknya. Untuk luas lingkaran, luas fluks SEBUAH akan menjadi _r_² dengan r sebagai jari-jari lingkaran, atau untuk permukaan melengkung sebuah silinder, luas fluksnya adalah Chu di mana C adalah keliling permukaan silinder lingkaran dan h adalah tinggi silinder.

Listrik statis muncul ketika dua benda tidak berada pada kesetimbangan listrik (atau kesetimbangan elektrostatik), atau, bahwa ada aliran muatan bersih dari satu objek ke objek lain. Saat bahan bergesekan satu sama lain, mereka mentransfer muatan antara satu sama lain. Menggosokkan kaus kaki pada karpet atau karet balon yang mengembang di rambut Anda dapat menghasilkan bentuk-bentuk listrik ini. Kejutan mentransfer kelebihan muatan ini kembali, untuk membangun kembali keadaan ekuilibrium.

Untuk sebuah konduktor (bahan yang mentransmisikan listrik) dalam kesetimbangan elektrostatik, medan listrik di dalamnya adalah nol dan muatan bersih pada permukaannya harus tetap pada kesetimbangan elektrostatik. Ini karena, jika ada medan, elektron dalam konduktor akan mendistribusikan kembali atau menyelaraskan diri sebagai respons terhadap medan. Dengan cara ini, mereka akan membatalkan bidang apa pun segera setelah itu dibuat.

Aluminium dan kawat tembaga adalah bahan konduktor umum yang digunakan untuk mentransmisikan arus, dan konduktor ionik juga sering digunakan, yang merupakan solusi yang menggunakan ion mengambang bebas untuk membiarkan muatan mengalir melalui dengan mudah. Semi-konduktor, seperti chip yang memungkinkan komputer berfungsi, juga menggunakan elektron yang bersirkulasi bebas, tetapi tidak sebanyak konduktor. Semikonduktor seperti silikon dan germanium juga membutuhkan lebih banyak energi untuk mengalirkan muatan dan umumnya memiliki konduktivitas rendah. Sebaliknya, isolator seperti kayu jangan biarkan muatan mengalir dengan mudah melaluinya.

Tanpa medan di dalam, untuk permukaan Gaussian yang terletak tepat di dalam permukaan konduktor, medan harus nol di mana-mana sehingga fluksnya nol. Ini berarti tidak ada muatan listrik bersih di dalam konduktor. Dari sini, Anda dapat menyimpulkan bahwa, untuk struktur geometri simetris seperti bola, muatan mendistribusikan dirinya secara seragam pada permukaan permukaan Gaussian.

Karena muatan netto pada suatu permukaan harus tetap dalam kesetimbangan elektrostatik, setiap medan listrik harus tegak lurus terhadap permukaan konduktor agar bahan tersebut dapat mentransmisikan muatan. Hukum Gauss memungkinkan Anda menghitung besarnya medan listrik ini dan fluks untuk konduktor. Medan listrik di dalam konduktor harus nol, dan di luar harus tegak lurus permukaan.

Ini berarti, untuk konduktor silinder dengan medan memancar dari dinding pada sudut tegak lurus, fluks totalnya adalah 2_E__πr_² untuk medan listrik E dan r jari-jari permukaan lingkaran konduktor silinder. Anda juga dapat menggambarkan muatan bersih di permukaan menggunakan σ, itu kerapatan muatan per satuan luas, dikalikan dengan luas.