Come calcolare la carica elettrica

Che si tratti di elettricità statica emessa da un cappotto di pelliccia o dell'elettricità che alimenta i televisori, puoi imparare di più sulla carica elettrica comprendendo la fisica sottostante. I metodi per calcolare la carica dipendono dalla natura dell'elettricità stessa, come i principi di come la carica si distribuisce attraverso gli oggetti. Questi principi sono gli stessi indipendentemente da dove ti trovi nell'universo, rendendo la carica elettrica una proprietà fondamentale della scienza stessa.

Ci sono molti modi di calcolare carica elettrica per vari contesti della fisica e dell'ingegneria elettrica.

Legge di Coulomb viene generalmente utilizzato per calcolare la forza risultante da particelle che trasportano carica elettrica ed è una delle equazioni di carica elettrica più comuni che utilizzerai. Gli elettroni trasportano cariche individuali di −1.602 × 10^-19 coulomb (C) e i protoni trasportano la stessa quantità, ma nella direzione positiva, 1,602 × 10

in quale K è una costante K = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Fisici e ingegneri a volte usano la variabile e riferirsi alla carica di un elettrone.

Si noti che, per cariche di segno opposto (più e meno), la forza è negativa e, quindi, attrattiva tra le due cariche. Per due cariche dello stesso segno (più e più o meno e meno), la forza è repulsiva. Più grandi sono le cariche, più forte è la forza attrattiva o repulsiva tra loro.

La legge di Coulomb ha una sorprendente somiglianza con la legge di Newton per la forza gravitazionale F_{G ​} = G m₁m₂ / r² per la forza gravitazionale F_G, masse m₁e m₂e costante gravitazionale G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Entrambi misurano forze diverse, variano con una massa o una carica maggiori e dipendono dal raggio tra entrambi gli oggetti alla seconda potenza. Nonostante le somiglianze, è importante ricordare che le forze gravitazionali sono sempre attraenti mentre le forze elettriche possono essere attraenti o repulsive.

Dovresti anche notare che la forza elettrica è generalmente molto più forte della gravità in base alle differenze nella potenza esponenziale delle costanti delle leggi. Le somiglianze tra queste due leggi sono una maggiore indicazione di simmetria e modelli tra le leggi comuni dell'universo.

Se un sistema rimane isolato (cioè senza contatto con nient'altro al di fuori di esso), conserverà la carica. Conservazione della carica significa che la quantità totale di carica elettrica (carica positiva meno carica negativa) rimane la stessa per il sistema. La conservazione della carica consente a fisici e ingegneri di calcolare la quantità di carica che si sposta tra i sistemi e l'ambiente circostante.

Questo principio consente a scienziati e ingegneri di creare gabbie di Faraday che utilizzano scudi o rivestimenti metallici per impedire la fuoriuscita di carica. Le gabbie di Faraday o gli scudi di Faraday utilizzano la tendenza del campo elettrico a ridistribuire le cariche all'interno del materiale per annullare l'effetto del campo ed evitare che le cariche danneggino o entrino nel interno. Questi sono utilizzati in apparecchiature mediche come le macchine per la risonanza magnetica, per evitare che i dati vengano essere distorto e in equipaggiamento protettivo per elettricisti e guardalinee che lavorano in aree pericolose ambienti.

È possibile calcolare il flusso netto di carica per un volume di spazio calcolando la quantità totale di carica in entrata e sottraendo la quantità totale di carica in uscita. Attraverso elettroni e protoni che trasportano carica, le particelle cariche possono essere create o distrutte per bilanciarsi secondo la conservazione della carica.

Sapendo che la carica di un elettrone è −1.602 × 10 ⁻¹⁹ C, una carica di −8 × 10 ⁻¹⁸ C sarebbe composto da 50 elettroni. Puoi trovarlo dividendo la quantità di carica elettrica per la grandezza della carica di un singolo elettrone.

Se conosci il corrente elettrica, il flusso di carica elettrica attraverso un oggetto, viaggiando attraverso un circuito e per quanto tempo viene applicata la corrente, puoi calcolare la carica elettrica usando l'equazione per la corrente Q = è in quale Q è la carica totale misurata in coulomb, io è corrente in ampere, e t è il tempo in secondi in cui viene applicata la corrente. Puoi anche usare la legge di Ohm (V = IR) per calcolare la corrente dalla tensione e dalla resistenza.

Per un circuito con tensione 3 V e resistenza 5 che viene applicata per 10 secondi, la corrente corrispondente che ne risulta è io = V / R = 3 V / 5 = 0,6 A, e la carica totale sarebbe Q = Esso = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Se conosci la differenza di potenziale (V) in volt applicati in un circuito e il lavoro (W) in joule effettuati nel periodo in cui è applicata, la carica in coulomb, Q = W / V.

•••Syed Hussain Ather

Campo elettrico, la forza elettrica per unità di carica, si diffonde radialmente verso l'esterno da cariche positive verso cariche negative e può essere calcolata con E = F_E / q, in quale F_E è la forza elettrica e q è la carica che produce il campo elettrico. Dato quanto siano fondamentali il campo e la forza per i calcoli in elettricità e magnetismo, la carica elettrica può essere definita come la proprietà della materia che fa sì che una particella abbia una forza in presenza di un'elettricità campo.

Anche se la carica netta, o totale, su un oggetto è zero, i campi elettrici consentono di distribuire le cariche in vari modi all'interno degli oggetti. Se vi sono distribuzioni di addebiti al loro interno che risultano in un addebito netto diverso da zero, questi oggetti sono polarizzato, e la carica provocata da queste polarizzazioni è nota come spese vincolate.

Sebbene gli scienziati non siano tutti d'accordo su quale sia la carica totale dell'universo, hanno fatto ipotesi plausibili e testato ipotesi attraverso vari metodi. Puoi osservare che la gravità è la forza dominante nell'universo su scala cosmologica e, poiché la forza elettromagnetica è molto più forte rispetto alla forza gravitazionale, se l'universo avesse una carica netta (positiva o negativa), allora saresti in grado di vederne le prove a un livello così grande distanze. L'assenza di queste prove ha portato i ricercatori a credere che l'universo sia a carica neutrale.

Se l'universo è sempre stato a carica neutrale o come è cambiata la carica dell'universo dopo il big bang sono anche questioni che sono oggetto di dibattito. Se l'universo avesse una carica netta, allora gli scienziati dovrebbero essere in grado di misurare le loro tendenze ed effetti su tutti on linee di campo elettrico in modo tale che, invece di collegarsi da cariche positive a cariche negative, sarebbero senza fine. L'assenza di questa osservazione indica anche l'argomento che l'universo non ha carica netta.

•••Syed Hussain Ather

Il flusso elettrico attraverso un'area planare (cioè piatta) UN di un campo elettrico E è il campo moltiplicato per la componente dell'area perpendicolare al campo. Per ottenere questa componente perpendicolare, si usa il coseno dell'angolo tra il campo e il piano di interesse nella formula per il flusso, rappresentato da Φ = EA cos(θ), dove θ è l'angolo tra la retta perpendicolare all'area e la direzione del campo elettrico.

Questa equazione, nota come Legge di Gauss, ti dice anche che, per superfici come queste, che tu chiami Superfici gaussiane, qualsiasi carica netta risiederebbe sulla sua superficie del piano perché sarebbe necessario creare il campo elettrico.

Poiché questo dipende dalla geometria dell'area della superficie utilizzata nel calcolo del flusso, varia a seconda della forma. Per un'area circolare, l'area di flusso UN sarebbe π_r_² con r come il raggio del cerchio, o per la superficie curva di un cilindro, l'area di flusso sarebbe Ch in quale C è la circonferenza della faccia del cilindro circolare e h è l'altezza del cilindro.

Elettricità statica emerge quando due oggetti non sono in equilibrio elettrico (o equilibrio elettrostatico), o che c'è un flusso netto di cariche da un oggetto all'altro. Quando i materiali si sfregano l'uno contro l'altro, trasferiscono le cariche tra loro. Strofinare i calzini su un tappeto o la gomma di un palloncino gonfiato sui capelli può generare queste forme di elettricità. Lo shock trasferisce indietro queste cariche in eccesso, per ristabilire uno stato di equilibrio.

Per un conduttore (materiale che trasmette elettricità) in equilibrio elettrostatico, il campo elettrico interno è nullo e la carica netta sulla sua superficie deve rimanere in equilibrio elettrostatico. Questo perché, se ci fosse un campo, gli elettroni nel conduttore si ridistribuirebbero o si riallineano in risposta al campo. In questo modo, cancellerebbero qualsiasi campo nell'istante in cui sarebbe stato creato.

Il filo di alluminio e rame sono materiali conduttori comuni utilizzati per trasmettere correnti e conduttori ionici sono spesso utilizzati anche, che sono soluzioni che utilizzano ioni liberamente fluttuanti per far fluire la carica facilmente. Semiconduttori, come i chip che consentono il funzionamento dei computer, utilizzano anche elettroni in libera circolazione, ma non così tanti come i conduttori. Anche i semiconduttori come il silicio e il germanio richiedono più energia per far circolare le cariche e generalmente hanno una bassa conduttività. Al contrario, isolanti come il legno non lasciano che la carica scorra facilmente attraverso di loro.

Senza campo all'interno, per una superficie gaussiana che si trova appena all'interno della superficie del conduttore, il campo deve essere zero ovunque in modo che il flusso sia zero. Ciò significa che non c'è carica elettrica netta all'interno del conduttore. Da ciò si deduce che, per strutture geometriche simmetriche come le sfere, la carica si distribuisce uniformemente sulla superficie della superficie gaussiana.

Poiché la carica netta su una superficie deve rimanere in equilibrio elettrostatico, qualsiasi campo elettrico deve essere perpendicolare alla superficie di un conduttore per consentire al materiale di trasmettere cariche. La legge di Gauss consente di calcolare l'ampiezza di questo campo elettrico e il flusso per il conduttore. Il campo elettrico all'interno di un conduttore deve essere nullo e, all'esterno, deve essere perpendicolare alla superficie.

Ciò significa che, per un conduttore cilindrico con campo che si irradia dalle pareti con un angolo perpendicolare, il flusso totale è semplicemente 2_E__πr_² per un campo elettrico E e r raggio della faccia circolare del conduttore cilindrico. Puoi anche descrivere la carica netta sulla superficie usando σ, il densità di carica per unità di superficie, moltiplicato per l'area.