電荷の計算方法

毛皮で覆われたコートから放出される静電気であろうと、テレビに電力を供給する電気であろうと、基礎となる物理学を理解することで、電荷についてさらに学ぶことができます。 電荷を計算する方法は、電荷がオブジェクトを介してどのように分布するかの原理など、電気自体の性質によって異なります。 これらの原理は、宇宙のどこにいても同じであり、電荷を科学自体の基本的な特性にします。

計算する方法はたくさんあります 電荷 物理学および電気工学のさまざまなコンテキストに対応します。

クーロンの法則 は一般に、電荷を運ぶ粒子から生じる力を計算するときに使用され、使用する最も一般的な電荷方程式の1つです。 電子は-1.602×10の個々の電荷を運びます^-19 クーロン（C）と陽子は同じ量を運びますが、正の方向に1.602×10 ⁻¹⁹ C。 2回の充電で q₁ そして q₂_距離で隔てられている_r、あなたは電気力を計算することができます F_E クーロンの法則を使用して生成：

その中で k 定数です k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². 物理学者やエンジニアは時々変数を使用します e 電子の電荷を指します。

反対の符号（プラスとマイナス）の電荷の場合、力は負であるため、2つの電荷の間で引力になることに注意してください。 同じ符号の2つの電荷（プラスとプラスまたはマイナスとマイナス）の場合、力は反発します。 電荷が大きいほど、それらの間の引力または反発力が強くなります。

クーロンの法則は、ニュートンの重力の法則と非常によく似ています。 F_{G ​} = G m₁m₂ / r² 重力のために F_G、大衆 m₁そして m₂、および重力定数 G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². それらは両方とも異なる力を測定し、質量または電荷が大きくなると変化し、両方のオブジェクト間の半径の2乗に依存します。 類似性にもかかわらず、重力は常に魅力的であり、電気力は魅力的または反発的である可能性があることを覚えておくことが重要です。

また、法則の定数の指数関数的な力の違いに基づいて、電気力は一般に重力よりもはるかに強いことに注意する必要があります。 これらの2つの法則の類似性は、宇宙のコモンロー間の対称性とパターンのより大きな指標です。

システムが分離されたままの場合（つまり、システムの外部にあるものと接触しない場合）、料金を節約できます。 電荷の保存 電荷の総量（正電荷から負電荷を引いたもの）がシステムで同じままであることを意味します。 電荷の保存により、物理学者とエンジニアは、システムとその周囲の間を移動する電荷の量を計算できます。

この原理により、科学者やエンジニアは、金属シールドまたはコーティングを使用して電荷が逃げるのを防ぐファラデーケージを作成できます。 ファラデーケージまたはファラデーシールドは、電界の傾向を利用して、 フィールドの影響をキャンセルし、電荷が害を与えたり、侵入したりするのを防ぐための材料 インテリア。 これらは、磁気共鳴画像装置などの医療機器で使用され、 歪んでいて、危険な場所で働く電気技師やラインマンのための保護具を着用している 環境。

入ってくる電荷の合計量を計算し、出る電荷の合計量を差し引くことによって、スペースのボリュームの正味の電荷フローを計算できます。 電荷を運ぶ電子と陽子を介して、荷電粒子を作成または破壊して、電荷の保存に従ってバランスをとることができます。

電子の電荷が-1.602×10であることを知っている ⁻¹⁹ C、-8×10の電荷 ⁻¹⁸ Cは50個の電子で構成されます。 これは、電荷の量を単一電子の電荷の大きさで割ることでわかります。

あなたが知っているなら 電流、物体を通る電荷の流れ、回路を通過する電流、および電流が印加される時間、電流の式を使用して電荷を計算できます Q = それ その中で Q はクーロンで測定された総電荷です。 私 アンペアでの電流、および t 電流が適用される時間（秒単位）です。 オームの法則を使用することもできます（V = IR）電圧と抵抗から電流を計算します。

電圧が3V、抵抗が5Ωで10秒間印加される回路の場合、対応する電流は次のようになります。 私 = V / R = 3 V /5Ω= 0.6 Aであり、総電荷は次のようになります。 Q =それ= 0.6A×10s = 6C。

電位差がわかっている場合（V）回路と仕事に適用されるボルト単位（W）それが適用される期間にわたって行われたジュールでは、クーロンでの電荷、 Q = W / V.

•••サイードフセインアザー

電界、単位電荷あたりの電気力は、正電荷から負電荷に向かって半径方向外側に広がり、次のように計算できます。 E = F_E / q、 その中で F_E 電気力であり、 q 電界を生成する電荷です。 電気と磁気の計算に対する基本的な場と力がどれほどあるかを考えると、電荷は 電気の存在下で粒子に力を持たせる物質の特性として定義されます フィールド。

オブジェクトの正味または合計の電荷がゼロであっても、電界により、オブジェクト内でさまざまな方法で電荷を分散させることができます。 正味電荷がゼロ以外になる電荷分布がそれらの中にある場合、これらのオブジェクトは 分極化、およびこれらの分極が引き起こす電荷は、 バインドされた料金.

科学者は宇宙の総電荷が何であるかについて全員が同意するわけではありませんが、彼らはさまざまな方法で知識に基づいた推測を行い、仮説を検証しました。 あなたは重力が宇宙論的スケールで宇宙の支配的な力であることに気付くかもしれません、そして、電磁力がはるかに強いので 重力よりも、宇宙が正味の電荷（正または負のいずれか）を持っている場合、あなたはそのような巨大な場所でそれの証拠を見ることができるでしょう 距離。 この証拠がないため、研究者たちは宇宙が電荷中立であると信じています。

宇宙が常に電荷中立であったのか、それともビッグバン以来宇宙の電荷がどのように変化したのかは、議論の余地のある問題でもあります。 宇宙が正味の電荷を持っていた場合、科学者は彼らの傾向とすべてへの影響を測定できるはずです 正電荷から負電荷に接続する代わりに、 終わらない。 この観察がないことは、宇宙には正味の電荷がないという議論も示しています。

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ザ・ 電束 平面（つまりフラット）領域を介して A 電場の E は、フィールドに垂直な領域のコンポーネントを掛けたものです。 この垂直成分を取得するには、次の式で表される、場と対象の平面との間の角度の余弦をフラックスの式で使用します。 Φ= EA cos（θ)、 どこ θ は、領域に垂直な線と電界の方向との間の角度です。

この方程式は、 ガウスの法則、また、これらのようなサーフェスの場合、 ガウス曲面、電界を生成する必要があるため、正味の電荷は平面の表面に存在します。

これは、フラックスの計算に使用される表面の領域の形状に依存するため、形状によって異なります。 円形領域の場合、磁束領域 A π_r_になります² と r 円の半径として、または円柱の曲面の場合、流束面積は次のようになります。 Ch その中で C は円柱面の円周であり、 h は円柱の高さです。

静電気 2つのオブジェクトが電気的平衡状態にない場合（または 静電平衡）、または、あるオブジェクトから別のオブジェクトへの正味の電荷の流れがあること。 材料が互いに擦れ合うと、それらは互いに電荷を転送します。 カーペットに靴下をこすったり、髪の毛に膨らんだ風船のゴムをこすったりすると、これらの形の電気が発生する可能性があります。 衝撃はこれらの過剰な電荷を戻し、平衡状態を再確立します。

のために 導体 （電気を伝達する材料）静電平衡状態では、内部の電界はゼロであり、その表面の正味電荷は静電平衡状態を維持する必要があります。 これは、電界が存在する場合、導体内の電子が電界に応じて再分配または再整列するためです。 このようにして、フィールドが作成されるとすぐにキャンセルされます。

アルミニウムと銅線は、電流を伝送するために使用される一般的な導体材料であり、イオン導体です。 また、自由に浮遊するイオンを使用して電荷を流すソリューションであることがよく使用されます 簡単に。 半導体コンピュータを機能させるチップなど、自由に循環する電子も使用しますが、導体ほど多くはありません。 シリコンやゲルマニウムのような半導体も、電荷を循環させるためにより多くのエネルギーを必要とし、一般に導電率が低くなります。 対照的に、 絶縁体 木材などは、電荷が流れにくいようにします。

内部にフィールドがない場合、導体の表面のすぐ内側にあるガウス表面の場合、磁束がゼロになるように、フィールドはどこでもゼロでなければなりません。 これは、導体の内部に正味の電荷がないことを意味します。 このことから、球などの対称的な幾何学的構造の場合、電荷はガウス面の表面に均一に分布していると推測できます。

表面の正味電荷は静電平衡を維持する必要があるため、材料が電荷を伝達できるようにするには、電界が導体の表面に垂直である必要があります。 ガウスの法則により、導体のこの電界と磁束の大きさを計算できます。 導体の内側の電界はゼロである必要があり、外側の電界は表面に垂直である必要があります。

これは、壁から垂直な角度で放射する磁場を持つ円筒形の導体の場合、総磁束は単純に2_E__πr_であることを意味します。² 電界用 E そして r 円筒導体の円形面の半径。 を使用して表面の正味電荷を記述することもできます σ、 電荷密度 単位面積あたりの面積を掛けたもの。