Kā aprēķināt elektrisko lādiņu

Neatkarīgi no tā, vai tā ir statiskā elektrība, ko izdala pūkains mētelis, vai elektrība, kas darbina televizorus, jūs varat uzzināt vairāk par elektrisko lādiņu, izprotot pamatā esošo fiziku. Lādiņa aprēķināšanas metodes ir atkarīgas no pašas elektroenerģijas rakstura, piemēram, principi, kā lādiņš pats sadala pa objektiem. Šie principi ir vienādi neatkarīgi no tā, kur atrodaties Visumā, padarot elektrisko lādiņu par pašas zinātnes pamatīpašību.

Aprēķināšanai ir daudz veidu elektriskais lādiņš dažādiem kontekstiem fizikā un elektrotehnikā.

Kulombas likums parasti tiek izmantots, aprēķinot spēku, kas rodas no daļiņām, kuras pārnes elektrisko lādiņu, un tas ir viens no visbiežāk izmantotajiem elektriskā lādiņa vienādojumiem. Elektroni pārvadā individuālos lādiņus -1,602 × 10^-19 kulonām (C) un protoniem ir vienāds daudzums, bet pozitīvajā virzienā - 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. Par divām apsūdzībām q₁ un q₂_kurus atdala attālums _r, jūs varat aprēķināt elektrisko spēku F_E ģenerēts, izmantojot Kulona likumu:

kurā k ir konstante k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Dažreiz mainīgo izmanto fiziķi un inženieri e atsaukties uz elektrona lādiņu.

Ņemiet vērā, ka pretēju zīmju (plus un mīnus) lādiņiem spēks ir negatīvs un tāpēc pievilcīgs starp abiem lādiņiem. Diviem vienas un tās pašas zīmes lādiņiem (plus un plus vai mīnus un mīnus) spēks ir pretīgs. Jo lielāki ir lādiņi, jo spēcīgāks ir pievilcīgais vai atgrūšanas spēks starp tiem.

Kulona likumam ir pārsteidzoša līdzība ar Ņūtona likumu attiecībā uz gravitācijas spēku F_{G ​} = G m₁m₂ / r² par gravitācijas spēku F_G, masas m₁un m₂un gravitācijas konstante G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Viņi abi mēra dažādus spēkus, mainās ar lielāku masu vai lādiņu un ir atkarīgi no rādiusa starp abiem objektiem līdz otrajai jaudai. Neskatoties uz līdzībām, ir svarīgi atcerēties, ka gravitācijas spēki vienmēr ir pievilcīgi, savukārt elektriskie spēki var būt pievilcīgi vai atgrūžoši.

Jums arī jāņem vērā, ka elektriskais spēks parasti ir daudz spēcīgāks par gravitāciju, pamatojoties uz likumu konstantu eksponenciālās jaudas atšķirībām. Šo divu likumu līdzība ir lielāka simetrijas un modeļu norāde starp Visuma kopīgajiem likumiem.

Ja sistēma paliek izolēta (t.i., bez saskares ar neko citu ārpus tās), tā ietaupīs lādiņu. Maksas saglabāšana nozīmē, ka kopējais elektriskā lādiņa daudzums (pozitīvais lādiņš mīnus negatīvais lādiņš) sistēmai paliek nemainīgs. Lādiņa saglabāšana ļauj fizikiem un inženieriem aprēķināt, cik daudz lādiņa pārvietojas starp sistēmām un to apkārtni.

Šis princips ļauj zinātniekiem un inženieriem izveidot Faradejas būrus, kuros tiek izmantoti metāla vairogi vai pārklājums, lai novērstu lādiņa izkļūšanu. Faradejas būri vai Faradejas vairogi izmanto elektriskā lauka tieksmi pārdalīt lādiņus materiāls, lai atceltu lauka iedarbību un novērstu, ka maksa kaitē vai iekļūst interjers. Tie tiek izmantoti medicīnas iekārtās, piemēram, magnētiskās rezonanses attēlveidošanas iekārtās, lai novērstu datu rašanos elektromontieriem un līnijpārvadātājiem, kas strādā bīstamos videi.

Telpas tilpumam varat aprēķināt neto lādiņa plūsmu, aprēķinot kopējo lādiņa daudzumu, kas ievadīts, un atņemot kopējo lādiņa daudzumu. Caur elektroniem un protoniem, kas nes lādiņu, var radīt vai iznīcināt lādētas daļiņas, lai līdzsvarotu sevi atbilstoši lādiņa saglabāšanai.

Zinot, ka elektrona lādiņš ir -1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, lādiņš −8 × 10 ⁻¹⁸ C sastāvētu no 50 elektroniem. To var atrast, dalot elektriskā lādiņa daudzumu ar viena elektrona lādiņa lielumu.

Ja jūs zināt elektriskā strāva, elektriskā lādiņa plūsma caur objektu, kas pārvietojas pa ķēdi un cik ilgi strāva tiek lietota, jūs varat aprēķināt elektrisko lādiņu, izmantojot strāvas vienādojumu J = Tā kurā J ir kopējais lādiņš, mērīts kulonos, Es ir strāva ampēros, un t ir laiks, kad strāva tiek lietota sekundēs. Varat arī izmantot Ohma likumu (V = IR), lai aprēķinātu strāvu no sprieguma un pretestības.

Ķēdei ar spriegumu 3 V un pretestību 5 Ω, kas tiek lietota 10 sekundes, atbilstošā strāva ir Es = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, un kopējais lādiņš būtu Q = tas = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Ja jūs zināt potenciālo atšķirību (V) voltā, ko pielieto ķēdē, un darbu (W) džoulos, kas veikti laika posmā, kurā tas tiek piemērots, maksa kulonos, J = W / V.

•••Syed Hussain Ather

Elektriskais lauks, elektriskais spēks uz lādiņa vienību radiālā virzienā no pozitīvajiem lādiņiem izplatās uz negatīviem lādiņiem, un to var aprēķināt ar E = F_E / q, kurā F_E ir elektriskais spēks un q ir lādiņš, kas rada elektrisko lauku. Ņemot vērā to, cik būtisks ir elektrības un magnētisma aprēķinu lauks un spēks, elektriskā lādiņa var būt jādefinē kā vielas īpašība, kas daļiņai rada spēku elektriskās klātbūtnes gadījumā laukā.

Pat ja objekta neto jeb kopējā lādiņa vērtība ir nulle, elektriskie lauki ļauj sadalīt lādiņus dažādās manierēs objektu iekšienē. Ja tajos ir lādiņu sadalījumi, kuru rezultātā neto lādiņš nav nulle, šie objekti ir polarizētsun lādiņš, ko izraisa šīs polarizācijas, ir pazīstami kā saistītās maksas.

Lai arī zinātnieki visi nav vienisprātis par kopējo Visuma lādiņu, viņi ar dažādām metodēm ir izteikuši izglītotus minējumus un pārbaudījuši hipotēzes. Jūs varat novērot, ka gravitācija ir Visumā dominējošais spēks kosmoloģiskajā mērogā, un tāpēc, ka elektromagnētiskais spēks ir daudz spēcīgāks nekā gravitācijas spēks, ja Visumam būtu tīrs lādiņš (vai nu pozitīvs, vai negatīvs), tad jūs varētu redzēt pierādījumus par to tik lielā attālumiem. Šo pierādījumu trūkums pētniekiem liek domāt, ka Visums ir neitrāls.

Tas, vai Visums vienmēr ir bijis neitrāls lādiņam, vai kā Visuma lādiņš ir mainījies kopš lielā sprādziena, ir arī jautājumi, par kuriem jāapspriež. Ja Visumam būtu neto lādiņš, zinātniekiem būtu jāspēj izmērīt viņu tendences un ietekmi uz visiem elektriskā lauka līnijas tādā veidā, ka tā vietā, lai savienotos no pozitīviem lādiņiem līdz negatīviem lādiņiem, viņi to darītu nekad nebeidzas. Šī novērojuma neesamība norāda arī uz argumentu, ka Visumam nav neto lādiņa.

•••Syed Hussain Ather

The elektriskā plūsma caur plakanu (t.i. plakanu) laukumu A elektriskā lauka E ir lauks, kas reizināts ar laukam perpendikulāru laukuma komponentu. Lai iegūtu šo perpendikulāro komponentu, plūsmas formulā izmantojiet leņķa starp lauka un interesējošās plaknes kosinusu, ko attēlo Φ = EA cos (θ), kur θ ir leņķis starp līniju, kas ir perpendikulāra laukumam, un elektriskā lauka virzienu.

Šis vienādojums, kas pazīstams kā Gausa likums, arī jums to saka par tādām virsmām kā šīs, kuras jūs saucat Gausa virsmas, jebkurš neto lādiņš būtu uz tā plaknes virsmas, jo būtu nepieciešams radīt elektrisko lauku.

Tā kā tas ir atkarīgs no plūsmas aprēķināšanai izmantotās virsmas laukuma ģeometrijas, tas mainās atkarībā no formas. Apļveida laukumam - plūsmas laukums A būtu π_r_² ar r kā apļa rādiuss vai cilindra izliektajai virsmai būtu plūsmas laukums Č kurā C ir apļveida cilindra virsmas apkārtmērs un h ir cilindra augstums.

Statiskā elektrība rodas, kad divi objekti nav elektriskā līdzsvara stāvoklī (vai elektrostatiskais līdzsvars), vai ka no viena objekta uz otru notiek neto lādiņu plūsma. Materiāliem berzējoties vienam pret otru, tie nodod lādiņus savā starpā. Zeķu berzēšana uz paklāja vai piepūsta balona gumija uz matiem var radīt šāda veida elektrību. Šoks nodod šīs pārmērīgās maksas atpakaļ, lai atjaunotu līdzsvara stāvokli.

Priekš diriģents (materiāls, kas pārraida elektrību) elektrostatiskā līdzsvara stāvoklī elektriskais lauks iekšpusē ir nulle, un neto lādiņam uz tā virsmas jāpaliek elektrostatiskajā līdzsvarā. Tas ir tāpēc, ka, ja būtu lauks, vadītājā esošie elektroni pārdalītos vai izlīdzinātos, reaģējot uz lauku. Tādā veidā viņi atcels jebkuru lauku tūlīt pēc tā izveides.

Alumīnijs un vara stieple ir kopīgi vadītāju materiāli, kurus izmanto strāvu un jonu vadītāju pārraidei bieži tiek izmantoti arī tie ir risinājumi, kas izmanto brīvi peldošus jonus, lai ļautu lādiņam plūst cauri viegli. Pusvadītāji, piemēram, mikroshēmas, kas ļauj datoriem darboties, izmanto arī brīvi cirkulējošus elektronus, bet ne tik daudz kā vadītāji. Arī pusvadītāji, piemēram, silīcijs un germānija, prasa vairāk enerģijas, lai lādiņi cirkulētu, un parasti tiem ir zema vadītspēja. Turpretī, izolatori piemēram, koks neļauj lādiņam viegli caur tiem plūst.

Bez lauka iekšpusē Gausa virsmai, kas atrodas tieši vadītāja virsmā, laukam jābūt nullei visur, lai plūsma būtu nulle. Tas nozīmē, ka vadītāja iekšpusē nav neto elektriskā lādiņa. No tā jūs varat secināt, ka simetriskām ģeometriskām struktūrām, piemēram, sfērām, lādiņš vienmērīgi sadalās pa Gausa virsmas virsmu.

Tā kā neto lādiņam uz virsmas jāpaliek elektrostatiskajā līdzsvarā, jebkuram elektriskajam laukam jābūt perpendikulāram vadītāja virsmai, lai materiāls varētu pārraidīt lādiņus. Gausa likums ļauj aprēķināt šī elektriskā lauka lielumu un vadītāja plūsmu. Elektriskajam laukam vadītāja iekšpusē jābūt nullei, un ārpusē tam jābūt perpendikulāram virsmai.

Tas nozīmē, ka cilindriskajam vadītājam, kura lauks izstaro no sienām perpendikulārā leņķī, kopējā plūsma ir vienkārši 2_E__πr_² elektriskajam laukam E un r cilindriskā vadītāja apļveida virsmas rādiuss. Jūs varat arī aprakstīt neto lādiņu uz virsmas, izmantojot σ, lādiņa blīvums uz laukuma vienību, reizinot ar platību.