Hoe elektrische lading te berekenen

Of het nu gaat om statische elektriciteit die wordt afgegeven door een harige jas of om de elektriciteit die televisietoestellen aandrijft, u kunt meer leren over elektrische lading door de onderliggende fysica te begrijpen. De methoden om lading te berekenen, zijn afhankelijk van de aard van elektriciteit zelf, zoals principes van hoe lading zichzelf door objecten verdeelt. Deze principes zijn hetzelfde, waar je ook bent in het universum, waardoor elektrische lading een fundamentele eigenschap van de wetenschap zelf is.

Er zijn veel manieren om te rekenen elektrische lading voor verschillende contexten in de natuurkunde en elektrotechniek.

Wet van Coulombmb wordt over het algemeen gebruikt bij het berekenen van de kracht die het gevolg is van deeltjes die elektrische lading dragen, en is een van de meest voorkomende elektrische ladingsvergelijkingen die u zult gebruiken. Elektronen dragen individuele ladingen van −1.602 × 10^-19 coulombs (C), en protonen dragen dezelfde hoeveelheid, maar in de positieve richting, 1,602 × 10

waarin k is een constante k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Natuurkundigen en ingenieurs gebruiken soms de variabele e om te verwijzen naar de lading van een elektron.

Merk op dat voor ladingen met tegengestelde tekens (plus en min), de kracht negatief is en daarom aantrekkelijk tussen de twee ladingen. Voor twee ladingen van hetzelfde teken (plus en plus of min en min) is de kracht afstotend. Hoe groter de ladingen zijn, hoe sterker de aantrekkende of afstotende kracht ertussen is.

De wet van Coulomb vertoont opvallende gelijkenis met de wet van Newton voor zwaartekracht F_{G ​} = G m₁m₂ / r² voor zwaartekracht F_G, massa's m₁en m₂, en zwaartekrachtconstante G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Ze meten allebei verschillende krachten, variëren met een grotere massa of lading en zijn afhankelijk van de straal tussen beide objecten tot de tweede macht. Ondanks de overeenkomsten is het belangrijk om te onthouden dat zwaartekracht altijd aantrekkelijk is, terwijl elektrische krachten aantrekkelijk of afstotend kunnen zijn.

Je moet ook opmerken dat de elektrische kracht over het algemeen veel sterker is dan de zwaartekracht op basis van de verschillen in de exponentiële kracht van de constanten van de wetten. De overeenkomsten tussen deze twee wetten zijn een grotere indicatie van symmetrie en patronen tussen algemene wetten van het universum.

Als een systeem geïsoleerd blijft (d.w.z. zonder contact met iets anders daarbuiten), zal het lading besparen. Behoud van lading betekent dat de totale hoeveelheid elektrische lading (positieve lading minus negatieve lading) hetzelfde blijft voor het systeem. Met behoud van lading kunnen natuurkundigen en ingenieurs berekenen hoeveel lading zich verplaatst tussen systemen en hun omgeving.

Met dit principe kunnen wetenschappers en ingenieurs kooien van Faraday maken die metalen schilden of coating gebruiken om te voorkomen dat lading ontsnapt. Kooien van Faraday of schilden van Faraday maken gebruik van de neiging van een elektrisch veld om ladingen binnen de materiaal om het effect van het veld teniet te doen en te voorkomen dat de ladingen de interieur. Deze worden gebruikt in medische apparatuur zoals magnetische resonantiebeeldvormingsmachines, om te voorkomen dat gegevens wordt vervormd, en in beschermende kleding voor elektriciens en lijnwachters die werken in gevaarlijke omgevingen.

U kunt de netto laadstroom voor een ruimtevolume berekenen door de totale hoeveelheid lading die binnenkomt te berekenen en de totale hoeveelheid lading die eruit gaat daarvan af te trekken. Door elektronen en protonen die lading dragen, kunnen geladen deeltjes worden gecreëerd of vernietigd om zichzelf in evenwicht te brengen volgens behoud van lading.

Wetende dat de lading van een elektron −1.602 × 10. is ⁻¹⁹ C, een lading van −8 × 10 ⁻¹⁸ C zou uit 50 elektronen bestaan. Je kunt dit vinden door de hoeveelheid elektrische lading te delen door de grootte van de lading van een enkel elektron.

Als je de kent elektrische stroom, de stroom van elektrische lading door een object, reizen door een circuit en hoe lang de stroom wordt toegepast, kunt u elektrische lading berekenen met behulp van de vergelijking voor stroom Vraag = Het waarin Vraag is de totale lading gemeten in coulombs, ik is stroom in ampère, en t is de tijd dat de stroom wordt toegepast in seconden. Je kunt ook de wet van Ohm gebruiken (V = IR) om stroom te berekenen uit spanning en weerstand.

Voor een circuit met een spanning van 3 V en een weerstand van 5 die gedurende 10 seconden wordt toegepast, is de overeenkomstige stroom die resulteert ik = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, en de totale lading zou zijn Q = Het = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Als u het potentiaalverschil kent (V) in volt toegepast in een circuit en het werk (W) in joules gedaan over de periode dat het wordt toegepast, de lading in coulombs, Vraag = W / V.

•••Syed Hussain Ather

Elektrisch veld, de elektrische kracht per eenheid lading, verspreidt zich radiaal naar buiten van positieve ladingen naar negatieve ladingen en kan worden berekend met calculated E = F_E / q, waarin F_E is de elektrische kracht en q is de lading die het elektrische veld produceert. Gezien hoe fundamenteel veld en kracht zijn voor berekeningen in elektriciteit en magnetisme, kan elektrische lading charge worden gedefinieerd als de eigenschap van materie die ervoor zorgt dat een deeltje een kracht heeft in de aanwezigheid van een elektrische veld.

Zelfs als de netto of totale lading op een object nul is, maken elektrische velden het mogelijk dat ladingen op verschillende manieren binnen objecten worden verdeeld. Als er ladingsverdelingen in zitten die resulteren in een nettolading die niet nul is, zijn deze objecten: gepolariseerd, en de lading die deze polarisaties veroorzaken, staat bekend als gebonden kosten.

Hoewel wetenschappers het niet allemaal eens zijn over wat de totale lading van het universum is, hebben ze weloverwogen gissingen gedaan en hypothesen getest via verschillende methoden. Je zou kunnen zien dat zwaartekracht de dominante kracht is in het universum op kosmologische schaal, en omdat de elektromagnetische kracht veel sterker is dan de zwaartekracht, als het universum een ​​netto lading had (positief of negatief), dan zou je daar bewijs van kunnen zien bij zo'n enorme afstanden. De afwezigheid van dit bewijs heeft ertoe geleid dat onderzoekers geloven dat het universum ladingsneutraal is.

Of het heelal altijd ladingsneutraal is geweest of hoe de lading van het heelal is veranderd sinds de oerknal zijn ook vragen die ter discussie staan. Als het universum een ​​nettolading had, dan zouden wetenschappers in staat moeten zijn om hun neigingen en effecten op iedereen te meten elektrische veldlijnen op een zodanige manier dat ze, in plaats van verbinding te maken van positieve ladingen met negatieve ladingen, eindigt nooit. De afwezigheid van deze waarneming wijst ook op het argument dat het universum geen nettolading heeft.

•••Syed Hussain Ather

De elektrische stroom door een vlak (d.w.z. vlak) gebied EEN van een elektrisch veld E is het veld vermenigvuldigd met de component van het gebied loodrecht op het veld. Om deze loodrechte component te krijgen, gebruik je de cosinus van de hoek tussen het veld en het interessevlak in de formule voor flux, weergegeven door Φ = EA omdat (θ), waar θ is de hoek tussen de lijn loodrecht op het gebied en de richting van het elektrische veld.

Deze vergelijking, bekend als Wet van Gausss, vertelt je ook dat, voor oppervlakken zoals deze, die je noemt Gauss-oppervlakken, zou elke nettolading zich op het oppervlak van het vliegtuig bevinden omdat het nodig zou zijn om het elektrische veld te creëren.

Omdat dit afhangt van de geometrie van het oppervlak dat wordt gebruikt bij het berekenen van de flux, varieert het afhankelijk van de vorm. Voor een cirkelvormig gebied, het fluxgebied EEN zou π_r_ zijn² met r als de straal van de cirkel, of voor het gekromde oppervlak van een cilinder, zou het fluxoppervlak zijn Ch waarin C is de omtrek van het cirkelvormige cilindervlak en h is de hoogte van de cilinder.

Statische elektriciteit ontstaat wanneer twee objecten niet in elektrisch evenwicht zijn (of elektrostatisch evenwicht), of dat er een netto stroom van ladingen van het ene object naar het andere is. Als materialen tegen elkaar wrijven, brengen ze ladingen tussen elkaar over. Door sokken over een tapijt of het rubber van een opgeblazen ballon over je haar te wrijven, kunnen deze vormen van elektriciteit worden opgewekt. De schok brengt deze overtollige ladingen terug, om een ​​evenwichtstoestand te herstellen.

Voor een geleider (een materiaal dat elektriciteit doorgeeft) in elektrostatisch evenwicht, het elektrische veld binnenin is nul en de netto lading op het oppervlak moet in elektrostatisch evenwicht blijven. Dit komt omdat, als er een veld zou zijn, de elektronen in de geleider zichzelf zouden herverdelen of opnieuw uitlijnen als reactie op het veld. Op deze manier zouden ze elk veld annuleren op het moment dat het zou worden gemaakt.

Aluminium- en koperdraad zijn veelvoorkomende geleidermaterialen die worden gebruikt om stromen over te brengen, en ionische geleiders worden ook vaak gebruikt, dit zijn oplossingen die vrij zwevende ionen gebruiken om lading door te laten stromen gemakkelijk. Halfgeleiders, zoals de chips die computers laten functioneren, gebruiken ook vrij circulerende elektronen, maar niet zoveel als geleiders. Halfgeleiders zoals silicium en germanium hebben ook meer energie nodig om ladingen te laten circuleren en hebben over het algemeen een lage geleidbaarheid. Daarentegen, isolatoren zoals hout laten er geen lading gemakkelijk doorheen stromen.

Zonder veld binnenin, voor een Gaussiaans oppervlak dat net binnen het oppervlak van de geleider ligt, moet het veld overal nul zijn, zodat de flux nul is. Dit betekent dat er geen netto elektrische lading in de geleider zit. Hieruit kun je afleiden dat, voor symmetrische geometrische structuren zoals bollen, de lading zich gelijkmatig verdeelt over het oppervlak van het Gauss-oppervlak.

Omdat de nettolading op een oppervlak in elektrostatisch evenwicht moet blijven, moet elk elektrisch veld loodrecht op het oppervlak van een geleider staan ​​om het materiaal in staat te stellen ladingen door te geven. Met de wet van Gauss kun je de grootte van dit elektrische veld en deze flux voor de geleider berekenen. Het elektrische veld in een geleider moet nul zijn en buiten moet het loodrecht op het oppervlak staan.

Dit betekent dat voor een cilindrische geleider met een veld dat onder een loodrechte hoek uitstraalt vanaf de wanden, de totale flux eenvoudig 2_E__πr_ is² voor een elektrisch veld E en r straal van het cirkelvormige vlak van de cilindrische geleider. Je kunt de nettolading aan het oppervlak ook beschrijven met σ, de ladingsdichtheid per oppervlakte-eenheid, vermenigvuldigd met de oppervlakte.