Hvordan beregne elektrisk lading

Enten det er statisk elektrisitet gitt av en pelsjakke eller strømmen som driver fjernsynsapparater, kan du lære mer om elektrisk ladning ved å forstå den underliggende fysikken. Metodene for å beregne ladning avhenger av selve strømmen, for eksempel prinsipper for hvordan ladning fordeler seg gjennom gjenstander. Disse prinsippene er de samme uansett hvor du er i universet, noe som gjør elektrisk ladning til en grunnleggende egenskap for vitenskapen selv.

Det er mange måter å beregne på elektrisk ladning for ulike sammenhenger innen fysikk og elektroteknikk.

Coulombs lov brukes vanligvis når du beregner kraften som kommer fra partikler som bærer elektrisk ladning, og er en av de vanligste elektriske ladningsligningene du vil bruke. Elektroner har individuelle ladninger på -1,602 × 10^-19 coulombs (C), og protoner bærer samme mengde, men i den positive retningen, 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. For to anklager q₁ og q₂_ som er atskilt med en avstand _r, kan du beregne den elektriske kraften F_E generert ved bruk av Coulombs lov:

der k er en konstant k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Fysikere og ingeniører bruker noen ganger variabelen e å referere til ladningen til et elektron.

Merk at for ladninger av motsatte tegn (pluss og minus) er kraften negativ og derfor attraktiv mellom de to ladningene. For to ladninger av samme tegn (pluss og pluss eller minus og minus) er kraften frastøtende. Jo større ladningene er, desto sterkere er den attraktive eller frastøtende kraften mellom dem.

Coulombs lov har en slående likhet med Newtons lov for gravitasjonskraft F_{G ​} = G m₁m₂ / r² for gravitasjonskraft F_G, masser m₁og m₂og gravitasjonskonstant G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². De måler begge forskjellige krefter, varierer med større masse eller ladning og avhenger av radien mellom begge objektene til den andre kraften. Til tross for likhetene, er det viktig å huske at gravitasjonskrefter alltid er attraktive, mens elektriske krefter kan være attraktive eller frastøtende.

Du bør også merke deg at den elektriske kraften generelt er mye sterkere enn tyngdekraften, basert på forskjellene i den eksponentielle kraften til konstantene i lovene. Likhetene mellom disse to lovene er en større indikasjon på symmetri og mønstre blant vanlige lover i universet.

Hvis et system forblir isolert (dvs. uten kontakt med noe annet utenfor det), vil det spare strøm. Bevaring av kostnad betyr at den totale mengden elektrisk ladning (positiv ladning minus negativ ladning) forblir den samme for systemet. Bevaring av ladning lar fysikere og ingeniører beregne hvor mye ladning som beveger seg mellom systemene og omgivelsene.

Dette prinsippet lar forskere og ingeniører lage Faraday-bur som bruker metallskjold eller belegg for å forhindre at ladning slipper ut. Faraday-bur eller Faraday-skjold bruker et elektrisk felts tendens til å distribuere ladninger i området materiale for å avbryte effekten av feltet og forhindre at anklagene skader eller kommer inn i interiør. Disse brukes i medisinsk utstyr som maskiner til magnetisk resonans, for å forhindre data fra forvrengt, og i beskyttelsesutstyr for elektrikere og linjemenn som arbeider i farlige omgivelser miljøer.

Du kan beregne nettoladestrømmen for et volum plass ved å beregne den totale mengden ladning som legges inn og trekker fra den totale ladningen. Gjennom elektroner og protoner som bærer ladning, kan ladede partikler opprettes eller ødelegges for å balansere seg i henhold til bevaring av ladningen.

Å vite at ladningen til et elektron er -1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, en ladning på −8 × 10 ⁻¹⁸ C ville være sammensatt av 50 elektroner. Du finner dette ved å dele mengden elektrisk ladning med størrelsen på ladningen til et enkelt elektron.

Hvis du vet elektrisk strøm, strømmen av elektrisk ladning gjennom et objekt, som går gjennom en krets og hvor lenge strømmen påføres, kan du beregne elektrisk ladning ved hjelp av ligningen for strøm Spørsmål = Den der Spørsmål er den totale ladningen målt i coulombs, Jeg er gjeldende i ampere, og t er tiden strømmen brukes i sekunder. Du kan også bruke Ohms lov (V = IR) for å beregne strøm fra spenning og motstand.

For en krets med spenning 3 V og motstand 5 Ω som påføres i 10 sekunder, er den tilsvarende strømmen som oppstår Jeg = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, og den totale ladningen vil være Q = It = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Hvis du vet potensiell forskjell (V) i volt påført i en krets og arbeidet (W) i joule gjort over den perioden den påføres, ladningen i coulombs, Spørsmål = W / V.

•••Syed Hussain Ather

Elektrisk felt, den elektriske kraften per ladningsenhet, sprer seg radialt utover fra positive ladninger mot negative ladninger og kan beregnes med E = F_E / q, der F_E er den elektriske kraften og q er ladningen som produserer det elektriske feltet. Gitt hvor grunnleggende felt og kraft er for beregninger innen elektrisitet og magnetisme, kan elektrisk ladning defineres som egenskapen til materie som får en partikkel til å ha en kraft i nærvær av en elektrisk felt.

Selv om nettet, eller den totale ladningen på et objekt er null, tillater elektriske felt at ladninger fordeles på forskjellige måter inne i gjenstander. Hvis det er ladningsfordelinger i dem som resulterer i en nettolading som ikke er null, er disse objektene det polarisert, og ladningen som disse polariseringene forårsaker er kjent som bundet avgifter.

Selv om forskere ikke alle er enige om hva den totale ladningen av universet er, har de laget utdannede gjetninger og testet hypoteser gjennom forskjellige metoder. Du kan observere at tyngdekraften er den dominerende kraften i universet på den kosmologiske skalaen, og fordi den elektromagnetiske kraften er mye sterkere enn gravitasjonskraften, hvis universet hadde en nettolading (enten positiv eller negativ), ville du være i stand til å se bevis på det så enormt avstander. Fraværet av dette beviset har fått forskere til å tro at universet er ladningsnøytralt.

Hvorvidt universet alltid har vært ladningsnøytralt eller hvordan universets ladning har endret seg siden big bang, er også spørsmål som er oppe til debatt. Hvis universet hadde nettolading, burde forskere kunne måle tendenser og effekter på alle elektriske feltlinjer på en slik måte at de i stedet for å koble fra positive ladninger til negative ladninger slutter aldri. Fraværet av denne observasjonen peker også på argumentet om at universet ikke har nettolading.

•••Syed Hussain Ather

De elektrisk strøm gjennom et plant (dvs. flatt) område EN av et elektrisk felt E er feltet multiplisert med komponenten i området vinkelrett på feltet. For å få denne vinkelrette komponenten, bruker du cosinus av vinkelen mellom feltet og planet av interesse i formelen for flux, representert av Φ = EA cos (θ), hvor θ er vinkelen mellom linjen vinkelrett på området og retningen til det elektriske feltet.

Denne ligningen, kjent som Gauss lov, forteller deg også at for overflater som disse, som du kaller Gaussiske overflatervil enhver nettolading ligge på overflaten av planet fordi det ville være nødvendig å lage det elektriske feltet.

Fordi dette avhenger av geometrien til overflatearealet som brukes til å beregne fluks, varierer det avhengig av formen. For et sirkulært område, fluksområdet EN ville være π_r_² med r som sirkelens radius, eller for den buede overflaten til en sylinder, vil fluksområdet være Ch der C er omkretsen av den sirkulære sylinderflaten og h er sylinderens høyde.

Statisk elektrisitet dukker opp når to gjenstander ikke er i elektrisk likevekt (eller elektrostatisk likevekt), eller at det er en nettostrøm av ladninger fra ett objekt til et annet. Når materialer gnister mot hverandre, overfører de ladninger mellom hverandre. Gni sokker på et teppe eller gummien til en oppblåst ballong på håret ditt kan generere disse formene for elektrisitet. Sjokket overfører disse overflødige ladningene for å gjenopprette en tilstand av likevekt.

For en dirigent (et materiale som overfører elektrisitet) i elektrostatisk likevekt, det elektriske feltet inni er null, og nettoladningen på overflaten må forbli i elektrostatisk likevekt. Dette er fordi, hvis det var et felt, ville elektronene i lederen distribuere eller justere seg på nytt som svar på feltet. På denne måten ville de avbryte hvilket som helst felt i det øyeblikket det ble opprettet.

Aluminium og kobbertråd er vanlige ledermaterialer som brukes til å overføre strømmer og ioniske ledere brukes også ofte, som er løsninger som bruker fritt flytende ioner for å la ladning strømme gjennom Enkelt. Halvledere, som sjetongene som lar datamaskiner fungere, bruker også elektroner som sirkulerer fritt, men ikke så mange som ledere gjør. Halvledere som silisium og germanium krever også mer energi for å la ladninger sirkulere og har generelt lave ledningsevner. Derimot, isolatorer slik som tre, lar ikke ladningen strømme lett gjennom dem.

Uten felt inne, for en Gaussisk overflate som ligger like innenfor overflaten til lederen, må feltet være null overalt, slik at strømmen er null. Dette betyr at det ikke er netto elektrisk ladning inne i lederen. Fra dette kan du utlede at ladningen fordeler seg jevnt på overflaten av den Gaussiske overflaten for symmetriske geometriske strukturer som kuler.

Fordi nettoladningen på en overflate må forbli i elektrostatisk likevekt, må ethvert elektrisk felt være vinkelrett på overflaten til en leder for å la materialet overføre ladninger. Gauss lov lar deg beregne størrelsen på dette elektriske feltet og strømmen for lederen. Det elektriske feltet inne i en leder må være null, og utenfor må det være vinkelrett på overflaten.

Dette betyr at for en sylindrisk leder med felt som utstråler fra veggene i en vinkelrett vinkel, er den totale strømmen ganske enkelt 2_E__πr_² for et elektrisk felt E og r radius på den sylindriske lederens sirkulære overflate. Du kan også beskrive nettoladningen på overflaten ved hjelp av σ, den ladetetthet per arealeenhet, multiplisert med arealet.