Kaip apskaičiuoti elektros įkrovą

Nesvarbu, ar tai statinė elektra, kurią skleidžia pūkuotas kailis, ar elektra, kuria maitinami televizoriai, galite daugiau sužinoti apie elektros krūvį, suprasdami pagrindinę fiziką. Įkrovos apskaičiavimo metodai priklauso nuo pačios elektros pobūdžio, pavyzdžiui, principai, kaip mokestis pasiskirsto per objektus. Šie principai yra vienodi, kad ir kur būtumėte visatoje, todėl elektros krūvis tampa pagrindine paties mokslo savybe.

Yra daugybė skaičiavimo būdų elektros krūvis įvairiems fizikos ir elektrotechnikos kontekstams.

Kulono dėsnis yra paprastai naudojamas apskaičiuojant jėgą, kurią sukelia dalelės, turinčios elektrinį krūvį, ir yra viena iš labiausiai paplitusių elektros krūvio lygčių, kurias naudosite. Elektronai neša atskirus –1,602 × 10 krūvius^-19 kulonai (C) ir protonai turi tą patį kiekį, tačiau teigiama linkme - 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. Už du mokesčius q₁ ir q₂_ kurias skiria atstumas _r, galite apskaičiuoti elektros jėgą F_E sukurtas naudojant Kulono įstatymą:

kuriame k yra pastovus k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Fizikai ir inžinieriai kartais naudoja kintamąjį e nurodyti elektrono krūvį.

Atkreipkite dėmesį, kad priešingų ženklų (pliuso ir minuso) krūviams jėga yra neigiama ir todėl patraukli tarp dviejų krūvių. Dviems to paties ženklo krūviams (pliusas ir pliusas, minusas ir minusas) jėga yra atstumianti. Kuo didesni krūviai, tuo stipresnė tarp jų yra patraukli ar atstumianti jėga.

Coulombo įstatymas akivaizdžiai panašus į Newtono įstatymą dėl gravitacinės jėgos F_{G ​} = G m₁m₂ / r² gravitacinei jėgai F_G, mišios m₁ir m₂ir gravitacinė konstanta G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Jie abu matuoja skirtingas jėgas, kinta didesne mase ar krūviu ir priklauso nuo spindulio tarp abiejų objektų iki antrosios jėgos. Nepaisant panašumų, svarbu nepamiršti, kad gravitacijos jėgos visada yra patrauklios, o elektros jėgos gali būti patrauklios arba atstumiančios.

Taip pat turėtumėte atkreipti dėmesį, kad elektrinė jėga paprastai yra daug stipresnė nei gravitacija, remiantis įstatymų konstantų eksponentinės galios skirtumais. Šių dviejų dėsnių panašumai labiau rodo visatos dėsnių simetriją ir modelius.

Jei sistema išliks izoliuota (t. Y. Neturėdama kontakto su kuo nors kitu, kas yra už jos ribų), ji sutaupys krūvį. Kainos išsaugojimas reiškia, kad bendras elektros krūvio kiekis (teigiamas įkrovimas atėmus neigiamą krūvį) sistemoje išlieka toks pats. Taupant krūvį, fizikai ir inžinieriai gali apskaičiuoti, kiek krūvis juda tarp sistemų ir jų aplinkos.

Šis principas leidžia mokslininkams ir inžinieriams sukurti Faradėjaus narvus, kuriuose naudojami metaliniai skydai ar danga, kad užkratas neišbėgtų. Faradėjaus narvai arba Faradėjaus skydai naudoja elektrinio lauko polinkį perskirstyti krūvius medžiaga, pašalinanti lauko poveikį ir neleidžianti mokesčiams pakenkti ar patekti į interjeras. Jie naudojami medicininėje įrangoje, pavyzdžiui, magnetinio rezonanso vaizdavimo aparatuose, siekiant užkirsti kelią duomenims iškraipyti ir apsauginiuose elektrikuose bei budėtojų, dirbančių pavojingose ​​patalpose, apsauginiuose įtaisuose aplinkose.

Galite apskaičiuoti grynąjį erdvės tūrio įkrovos srautą, apskaičiuodami bendrą įvedamo mokesčio sumą ir atimdami visą likusį įkrovos kiekį. Elektronus ir protonus, pernešančius krūvį, gali būti sukurtos arba sunaikintos įelektrintos dalelės, kad būtų galima subalansuoti pagal krūvio išsaugojimą.

Žinant, kad elektrono krūvis yra –1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, įkrova −8 × 10 ⁻¹⁸ C sudarytų iš 50 elektronų. Tai galite rasti padaliję elektros krūvio dydį iš vieno elektrono krūvio dydžio.

Jei žinote elektros srovė, elektros krūvio srautas per objektą, einantis per grandinę ir kiek laiko naudojama srovė, galite apskaičiuoti elektros krūvį naudodami srovės lygtį Klausimas = Tai kuriame Klausimas yra bendras krūvis, matuojamas kulonomis, Aš yra srovė stiprintuvais ir t yra laikas, kai srovė naudojama sekundėmis. Taip pat galite naudoti Ohmo įstatymą (V = IR) apskaičiuoti srovę iš įtampos ir varžos.

Grandinei, kurios įtampa yra 3 V ir varža 5 Ω, kuri naudojama 10 sekundžių, gaunama atitinkama srovė Aš = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, o bendras krūvis būtų Q = Tai = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Jei žinote galimą skirtumą (V) voltais, naudojamais grandinėje, ir darbe (W) džauliais per tą laiką, kurį jis taikomas, mokestis kulonomis, Klausimas = W / V.

•••Syedas Hussainas Atheris

Elektrinis laukas, elektros jėga, tenkanti įkrovos vienetui, radialiai plinta į išorę nuo teigiamų krūvių link neigiamų krūvių ir gali būti apskaičiuojama naudojant E = F_E / q, kuriame F_E yra elektros jėga ir q yra krūvis, sukuriantis elektrinį lauką. Atsižvelgiant į tai, koks yra pagrindinis laukas ir jėga elektros ir magnetizmo skaičiavimams, elektrinis krūvis gali būti apibrėžta kaip materijos savybė, dėl kurios dalelė turi jėgą esant elektrai srityje.

Net jei objekto grynasis arba bendrasis krūvis yra lygus nuliui, elektriniai laukai leidžia paskirstyti krūvį įvairiais būdais objekto viduje. Jei jose yra krūvio pasiskirstymų, dėl kurių grynasis krūvis nėra lygus nuliui, šie objektai yra poliarizuotair krūvis, kurį sukelia šios poliarizacijos, yra žinomi kaip privalomi mokesčiai.

Nors mokslininkai ne visi sutaria, koks yra bendras Visatos krūvis, jie įvairiais metodais padarė pagrįstus spėjimus ir patikrino hipotezes. Galite pastebėti, kad gravitacija yra dominuojanti jėga visatoje kosmologiniu mastu ir, kadangi elektromagnetinė jėga yra daug stipresnė nei gravitacinė jėga, jei visata turėtų grynąjį krūvį (tiek teigiamą, tiek neigiamą), tada galėtumėte pamatyti jo įrodymus esant tokiam didžiuliam atstumus. Šių įrodymų nebuvimas privertė tyrėjus manyti, kad visata yra neutrali už krūvį.

Nesvarbu, ar visata visada buvo neutrali krūviui, ar kaip visatos krūvis keitėsi nuo didžiojo sprogimo, taip pat reikia diskutuoti. Jei visata turėjo grynąjį krūvį, mokslininkai turėtų sugebėti išmatuoti jų tendencijas ir poveikį visiems elektros lauko linijas tokiu būdu, kad užuot jungęsi nuo teigiamų krūvių su neigiamais krūviais, jie tai padarytų niekada nesibaigia. Šio stebėjimo nebuvimas taip pat nurodo argumentą, kad visata neturi grynojo krūvio.

•••Syedas Hussainas Atheris

The elektros srautas per plokštuminį (t. y. plokščią) plotą A elektrinio lauko E yra laukas, padaugintas iš lauko statmenos srities komponento. Norėdami gauti šį statmeną komponentą, srauto formulėje naudojate kampo tarp lauko ir dominančios plokštumos kosinusą, kurį rodo Φ = EA cos (θ), kur θ yra kampas tarp tiesios, statmenos plotui, ir elektrinio lauko krypties.

Ši lygtis, žinoma kaip Gauso dėsnistaip pat jums sako, kad tokiems paviršiams, kuriuos jūs vadinate, vadinate Gauso paviršiai, bet koks grynasis krūvis būtų jo plokštumos paviršiuje, nes būtų būtina sukurti elektrinį lauką.

Kadangi tai priklauso nuo paviršiaus ploto, naudojamo apskaičiuojant srautą, geometrijos, jis skiriasi priklausomai nuo formos. Apskrito ploto srauto plotas A būtų π_r_² su r kaip apskritimo spindulys arba kreivinis cilindro paviršius, srauto plotas būtų Ch kuriame C yra apskrito cilindro paviršiaus apskritimas ir h yra cilindro aukštis.

Statinė elektra atsiranda, kai du objektai nėra elektrinėje pusiausvyroje (arba elektrostatinė pusiausvyra), arba kad yra grynasis krūvių srautas iš vieno objekto į kitą. Medžiagoms besitrinant, jos perduoda mokesčius. Trinant kojines ant kilimo ar pripūsto baliono guma ant plaukų, gali susidaryti tokios elektros rūšys. Šokas perkelia šiuos perteklinius mokesčius atgal, kad būtų atkurta pusiausvyros būsena.

Dėl dirigentas (medžiaga, perduodanti elektrą) esant elektrostatinei pusiausvyrai, elektrinis laukas viduje yra lygus nuliui, o jo paviršiaus grynasis krūvis turi likti elektrostatinėje pusiausvyroje. Taip yra dėl to, kad jei būtų laukas, laidininko elektronai pasiskirstytų arba išsilygintų, reaguodami į lauką. Tokiu būdu jie panaikins bet kurį lauką, kai tik bus sukurtas.

Aliuminis ir varinė viela yra bendros laidininkų medžiagos, naudojamos srovėms perduoti, ir joniniai laidininkai taip pat dažnai naudojami, tai yra sprendimai, kuriuose naudojami laisvai plūduriuojantys jonai, leidžiantys krūviui tekėti lengvai. Puslaidininkiai, pavyzdžiui, lustai, leidžiantys kompiuteriams veikti, taip pat naudoja laisvai cirkuliuojančius elektronus, bet ne tiek, kiek daro laidininkai. Puslaidininkiams, tokiems kaip silicis ir germanis, taip pat reikia daugiau energijos, kad krūviai cirkuliuotų, ir paprastai jų laidumas yra mažas. Priešingai, izoliatoriai tokie kaip mediena neleidžia krūviui lengvai tekėti.

Jei lauke nėra lauko, Gauso paviršiui, esančiam tiesiog laidininko paviršiuje, laukas turi būti lygus nuliui visur, kad srautas būtų lygus nuliui. Tai reiškia, kad laidininko viduje nėra jokio grynojo elektros krūvio. Iš to galite padaryti išvadą, kad simetriškoms geometrinėms struktūroms, tokioms kaip sferos, krūvis vienodai pasiskirsto Gauso paviršiaus paviršiuje.

Kadangi grynasis krūvis ant paviršiaus turi likti elektrostatinėje pusiausvyroje, bet koks elektrinis laukas turi būti statmenas laidininko paviršiui, kad medžiaga galėtų perduoti krūvius. Gauso dėsnis leidžia apskaičiuoti šio elektrinio lauko dydį ir laidininko srautą. Laidininko viduje esantis elektrinis laukas turi būti nulis, o išorėje - statmenas paviršiui.

Tai reiškia, kad cilindriniam laidininkui, kurio laukas sklinda iš sienų statmenu kampu, bendras srautas yra tiesiog 2_E__πr_² elektriniam laukui E ir r cilindrinio laidininko apskrito paviršiaus spindulys. Taip pat galite apibūdinti grynąjį paviršiaus krūvį naudodami σ, krūvio tankis už ploto vienetą, padaugintą iš ploto.