בין אם זה חשמל סטטי שמופעל על ידי מעיל פרוותי ובין אם החשמל שמפעיל מכשירי טלוויזיה, תוכלו ללמוד עוד על מטען חשמלי על ידי הבנת הפיזיקה הבסיסית. השיטות לחישוב המטען תלויות באופי החשמל עצמו, כגון עקרונות כיצד מטען מפיץ את עצמו באמצעות עצמים. עקרונות אלה זהים לא משנה היכן אתה נמצא ביקום, מה שהופך את המטען החשמלי לנכס בסיסי של המדע עצמו.
נוסחת טעינה חשמלית
ישנן דרכים רבות לחישוב מטען חשמלי להקשרים שונים בפיזיקה והנדסת חשמל.
חוק קולומב משמש בדרך כלל בעת חישוב הכוח הנובע מחלקיקים הנושאים מטען חשמלי, והוא אחד ממשוואות המטען החשמליות הנפוצות ביותר בהן תשתמש. אלקטרונים נושאים מטענים בודדים של -1602 × 10-19 קולומבות (C), ופרוטונים נושאים את אותה כמות, אך בכיוון החיובי, 1.602 × 10 −19 ג. תמורת שני אישומים ש1 ו ש2_הן מופרדות על ידי מרחק _r, אתה יכול לחשב את הכוח החשמלי Fה נוצר על פי חוק קולומב:
F_E = \ frac {kq_1q_2} {r ^ 2}
בו k הוא קבוע k = 9.0 × 10 9 Nm2 / ג2. לפעמים משתמשים בפיזיקאים ומהנדסים במשתנה ה להתייחס לחיוב של אלקטרון.
שים לב, עבור מטענים של סימנים מנוגדים (פלוס ומינוס), הכוח הוא שלילי, ולכן, מושך בין שני המטענים. בשני מטענים של אותו סימן (פלוס ופלוס מינוס ומינוס), הכוח דוחה. ככל שהמטענים גדולים יותר, כך כוח המשיכה או הדחייה חזק יותר ביניהם.
מטען חשמלי וכוח המשיכה: קווי דמיון
החוק של קולומב נושא דמיון בולט לחוק ניוטון בכוח הכבידה Fז = G מ '1M2 / ר2 לכוח הכבידה Fז, המונים M1ו M2וקבוע הכבידה ז = 6.674 × 10 −11 M3/ ק"ג ש2. שניהם מודדים כוחות שונים, משתנים עם מסה או מטען גדולים יותר ותלויים ברדיוס בין שני האובייקטים לכוח השני. למרות הדמיון, חשוב לזכור שכוחות המשיכה תמיד מושכים ואילו כוחות חשמליים יכולים להיות מושכים או דוחים.
כמו כן, יש לציין כי הכוח החשמלי בדרך כלל חזק בהרבה מכוח המשיכה בהתבסס על ההבדלים בכוח האקספוננציאלי של קבועי החוקים. הדמיון בין שני חוקים אלה מהווה אינדיקציה גדולה יותר לסימטריה ולדפוסים בקרב החוקים הנפוצים ביקום.
שימור מטען חשמלי
אם מערכת תישאר מבודדת (כלומר ללא מגע עם שום דבר אחר שמחוצה לה), היא תשמור על טעינה. שמירה על תשלום פירושו שהסכום הכולל של המטען החשמלי (מטען חיובי פחות מטען שלילי) נשאר זהה למערכת. שימור המטען מאפשר לפיזיקאים ומהנדסים לחשב כמה מטען עובר בין מערכות וסביבתם.
עיקרון זה מאפשר למדענים ומהנדסים ליצור כלובי פאראדיי המשתמשים במגנים מתכתיים או בציפוי כדי למנוע בריחת מטען. כלובי פאראדיי או מגני פאראדיי משתמשים בנטייה של שדה חשמלי להפיץ מחדש מטענים בתוך השטח חומר לביטול השפעת השדה ולמניעת פגיעה או כניסה לחיובים פְּנִים. אלה משמשים בציוד רפואי כגון מכונות הדמיה תהודה מגנטית, כדי למנוע נתונים להיות מעוות, ובציוד מגן לחשמלאים ולשורות קו העובדים מסוכנים סביבות.
באפשרותך לחשב את זרימת המטען נטו עבור נפח שטח על ידי חישוב הסכום הכולל של המטען המוזן ומחסר את הסכום הכולל של המטען שעוזב. באמצעות אלקטרונים ופרוטונים הנושאים מטען, ניתן ליצור או להרוס חלקיקים טעונים כדי לאזן את עצמם בהתאם לשימור המטען.
מספר האלקטרונים במטען
בידיעה שהמטען של אלקטרון הוא -1602 × 10 −19 C, מטען של -8 × 10 −18 C יורכב מ -50 אלקטרונים. תוכלו למצוא זאת על ידי חלוקת כמות המטען החשמלי בגודל המטען של אלקטרון יחיד.
חישוב טעינה חשמלית במעגלים
אם אתה יודע את זרם חשמלי, זרימת המטען החשמלי דרך אובייקט, העוברת במעגל וכמה זמן מפעיל את הזרם, ניתן לחשב מטען חשמלי באמצעות המשוואה לזרם ש = זה בו ש הוא המטען הכולל שנמדד בקולומבים, אני הוא זרם אמפר, ו t הוא הזמן שהזרם מוחל בשניות. אתה יכול גם להשתמש בחוק אוהם (ו = IR) לחישוב זרם ממתח והתנגדות.
עבור מעגל בעל מתח 3 וולט והתנגדות 5 Ω המופעל למשך 10 שניות, הזרם המקביל לתוצאה הוא אני = ו / ר = 3 V / 5 Ω = 0.6 A, והמטען הכולל יהיה ש = זה = 0.6 א × 10 שניות = 6 צלזיוס
אם אתה יודע מה ההבדל הפוטנציאלי (ו) בוולטים המופעלים במעגל והעבודה (Wבג'אול שנעשה במהלך התקופה שבה הוא מוחל, המטען בקולומבים, ש = W / ו.
נוסחת שדה חשמלית
•••סייד חוסיין את'ר
שדה חשמלי, הכוח החשמלי ליחידת מטען, מתפשט רדיאלי החוצה ממטענים חיוביים לכיוון מטענים שליליים וניתן לחשב אותו באמצעות ה = Fה / ש, בו Fה הוא הכוח החשמלי ו ש הוא המטען המייצר את השדה החשמלי. בהתחשב כמה שדה וכוח מהותיים הם לחישובים בחשמל ומגנטיות, ייתכן שמטען חשמלי להיות מוגדר כמאפיין של חומר שגורם לחלקיק להיות בעל כוח בנוכחות חשמל שדה.
גם אם המטען נטו, או סך הכל, על אובייקט הוא אפס, שדות חשמליים מאפשרים חלוקת מטענים בנימוסים שונים בתוך עצמים. אם יש בהן חלוקות מטען שגורמות לחיוב נטו שאינו אפס, אובייקטים אלה הם מקוטב, והמטען שהקיטוב הזה גורם מכונה חיובים קשורים.
המטען נטו של היקום
אף על פי שמדענים לא כולם מסכימים מהו המטען הכולל של היקום, הם העלו ניחושים משכילים ובדקו השערות בשיטות שונות. יתכן שתבחין שכוח הכבידה הוא הכוח השולט ביקום בקנה מידה קוסמולוגי, ומכיוון שהכוח האלקטרומגנטי חזק בהרבה מכוח הכבידה, אם ליקום היה מטען נטו (חיובי או שלילי), היית מסוגל לראות ראיות לכך בענק כזה מרחקים. היעדרן של ראיות אלו הביא את החוקרים להאמין שהיקום הוא נטרלי מטענים.
בין אם היקום תמיד היה ניטרלי מטען או איך המטען של היקום השתנה מאז המפץ הגדול הן גם שאלות שעומדות לדיון. אם ליקום היה מטען נטו, אזי מדענים יהיו מסוגלים למדוד את הנטיות וההשפעות שלהם על כולם קווי שדה חשמליים באופן שבמקום להתחבר ממטענים חיוביים למטענים שליליים, הם היו עושים זאת לעולם לא נגמר. היעדרה של תצפית זו מצביע גם על הטענה לפיה ליקום אין מטען נטו.
חישוב שטף חשמלי עם טעינה
•••סייד חוסיין את'ר
ה שטף חשמלי דרך שטח מישורי (כלומר שטוח) א של שדה חשמלי ה הוא השדה מוכפל ברכיב השטח הניצב לשדה. כדי להשיג את הרכיב הניצב הזה, אתה משתמש בקוסינוס של הזווית בין השדה למישור העניין בנוסחה לשטף, המיוצג על ידי Φ = EA חַסַת עָלִים(θ), איפה θ היא הזווית בין הקו בניצב לשטח לכיוון השדה החשמלי.
משוואה זו, המכונה חוק גאוס, גם אומר לך שעבור משטחים כמו אלה שאתה קורא להם משטחים גאוסיים, כל מטען נטו ישכון על פני המטוס שלו מכיוון שיהיה צורך ליצור את השדה החשמלי.
מכיוון שהדבר תלוי בגיאומטריה של שטח המשטח המשמש לחישוב השטף, זה משתנה בהתאם לצורה. עבור אזור מעגלי, אזור השטף א יהיה π_r_2 עם ר כרדיוס המעגל, או למשטח המעוגל של גליל, אזור השטף יהיה Ch בו ג הוא היקף פני הגליל העגול ח הוא גובה הצילינדר.
טעינה וחשמל סטטי
חשמל סטטי מתגלה כששני עצמים אינם נמצאים בשיווי משקל חשמלי (או שיווי משקל אלקטרוסטטי), או, שישנה זרימת מטענים נטו מאובייקט אחד לאחר. כאשר חומרים מתחככים זה בזה, הם מעבירים חיובים זה לזה. שפשוף גרביים על שטיח או גומי של בלון מנופח על השיער שלך יכול לייצר צורות חשמל אלה. ההלם מעביר את המטענים העודפים האלה בחזרה, כדי לבסס מחדש מצב של שיווי משקל.
מוליכים חשמליים
למשך מנצח (חומר המעביר חשמל) בשיווי משקל אלקטרוסטטי, השדה החשמלי בפנים הוא אפס והמטען הנקי על פניו חייב להישאר בשיווי משקל אלקטרוסטטי. הסיבה לכך היא שאם היה שדה, האלקטרונים במוליך היו מתפזרים מחדש או מיישרים מחדש את עצמם בתגובה לשדה. בדרך זו הם היו מבטלים כל שדה ברגע שייווצר.
חוטי אלומיניום וחוטי נחושת הם חומרי מוליך נפוצים המשמשים להעברת זרמים ומוליכים יוניים משמשים לעיתים קרובות, שהם פתרונות המשתמשים ביונים צפים באופן חופשי כדי לאפשר למטען לזרום דרכם בְּקַלוּת. מוליכים למחצה, כמו שבבים שמאפשרים למחשבים לתפקד, משתמשים גם באלקטרונים שמסתובבים בחופשיות, אך לא בכמות שמוליכים. מוליכים למחצה כמו סיליקון וגרמניום דורשים גם יותר אנרגיה בכדי לאפשר למטענים להסתובב ובדרך כלל בעלי מוליכות נמוכה. בניגוד, מבודדים כגון עץ לא נותנים למטען לזרום דרכם בקלות.
ללא שדה בפנים, עבור משטח גאוס שנמצא ממש בתוך פני השטח של המוליך, השדה חייב להיות אפס בכל מקום כדי שהשטף יהיה אפס. זה אומר שאין מטען חשמלי נטו בתוך המוליך. מכאן, ניתן להסיק כי עבור מבנים גיאומטריים סימטריים כגון כדורים, המטען מתפזר באופן אחיד על פני השטח הגאוסי.
חוק גאוס במצבים אחרים
מכיוון שהמטען הנקי על גבי משטח חייב להישאר בשיווי משקל אלקטרוסטטי, כל שדה חשמלי חייב להיות מאונך לפני השטח של מוליך כדי לאפשר לחומר להעביר מטענים. החוק של גאוס מאפשר לך לחשב את גודל השדה החשמלי והשטף עבור המוליך. השדה החשמלי שבתוך מוליך חייב להיות אפס, ובחוץ עליו להיות מאונך לפני השטח.
פירוש הדבר, עבור מוליך גלילי עם שדה שמקרין מהקירות בזווית מאונכת, השטף הכולל הוא פשוט 2_E__πr_2 לשדה חשמלי ה ו ר רדיוס הפנים העגול של המוליך הגלילי. ניתן גם לתאר את המטען נטו על פני השטח באמצעות σ, ה צפיפות מטען ליחידת שטח, מוכפלת בשטח.