Jak obliczyć ładunek elektryczny?

Niezależnie od tego, czy jest to elektryczność statyczna emitowana przez futrzany płaszcz, czy elektryczność zasilająca telewizory, możesz dowiedzieć się więcej o ładunku elektrycznym, rozumiejąc podstawową fizykę. Metody obliczania ładunku zależą od natury samej energii elektrycznej, takich jak zasady rozprowadzania się ładunku przez obiekty. Zasady te są takie same bez względu na to, gdzie jesteś we wszechświecie, co sprawia, że ​​ładunek elektryczny jest podstawową właściwością samej nauki.

Istnieje wiele sposobów obliczania ładunek elektryczny dla różnych kontekstów w fizyce i elektrotechnice.

prawo Coulomba jest zwykle używany przy obliczaniu siły wynikającej z cząstek przenoszących ładunek elektryczny i jest jednym z najczęściej używanych równań ładunku elektrycznego. Elektrony przenoszą indywidualne ładunki -1,602 × 10^-19 kulomby (C) i protony niosą tę samą ilość, ale w kierunku dodatnim, 1,602 × 10 ⁻¹⁹ DO. Za dwa ładunki q₁ i q₂_które są oddzielone odległością _r, możesz obliczyć siłę elektryczną fa_mi wygenerowane przy użyciu prawa Coulomba:

w którym k jest stałą k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Fizycy i inżynierowie czasami używają zmiennej mi odnosić się do ładunku elektronu.

Zauważ, że dla ładunków o przeciwnych znakach (plus i minus) siła jest ujemna, a zatem przyciągająca między dwoma ładunkami. Dla dwóch ładunków o tym samym znaku (plus i plus lub minus i minus) siła jest odpychająca. Im większe są ładunki, tym silniejsza jest siła przyciągania lub odpychania między nimi.

Prawo Coulomba wykazuje uderzające podobieństwo do prawa Newtona dotyczącego siły grawitacji fa_{sol ​} = G m₁m₂ / r² dla siły grawitacyjnej fa_sol, msze m₁i m₂, oraz stała grawitacyjna sol = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Oba mierzą różne siły, zmieniają się wraz z większą masą lub ładunkiem i zależą od promienia między obydwoma obiektami do drugiej potęgi. Pomimo podobieństw, ważne jest, aby pamiętać, że siły grawitacyjne są zawsze atrakcyjne, podczas gdy siły elektryczne mogą być przyciągające lub odpychające.

Należy również zauważyć, że siła elektryczna jest na ogół znacznie silniejsza niż grawitacja, co wynika z różnic w potęgach wykładniczych stałych praw. Podobieństwa między tymi dwoma prawami są lepszym wskaźnikiem symetrii i wzorców wśród powszechnych praw wszechświata.

Jeśli system pozostaje odizolowany (tj. bez kontaktu z czymkolwiek innym poza nim), będzie oszczędzał ładunek. Ochrona ładunku oznacza, że ​​całkowita ilość ładunku elektrycznego (ładunek dodatni minus ładunek ujemny) pozostaje taka sama dla systemu. Zachowanie ładunku pozwala fizykom i inżynierom obliczyć, ile ładunku przemieszcza się między systemami i ich otoczeniem.

Ta zasada pozwala naukowcom i inżynierom tworzyć klatki Faradaya, które wykorzystują metalowe osłony lub powłoki, aby zapobiec ucieczce ładunku. Klatki Faradaya lub tarcze Faradaya wykorzystują tendencję pola elektrycznego do redystrybucji ładunków w obrębie materiał, aby zniwelować efekt pola i zapobiec uszkodzeniu lub przedostaniu się opłat do wnętrze. Są one stosowane w sprzęcie medycznym, takim jak maszyny do rezonansu magnetycznego, aby zapobiec to są zniekształcone, oraz w ochraniaczach dla elektryków i monterów pracujących w warunkach niebezpiecznych środowiska.

Możesz obliczyć przepływ opłat netto dla objętości przestrzeni, obliczając łączną kwotę opłat wprowadzanych i odejmując łączną kwotę opłat opuszczających. Poprzez elektrony i protony, które przenoszą ładunek, naładowane cząstki mogą być tworzone lub niszczone, aby zrównoważyć się zgodnie z zasadą zachowania ładunku.

Wiedząc, że ładunek elektronu wynosi −1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, ładunek -8 × 10 ⁻¹⁸ C składałby się z 50 elektronów. Możesz to znaleźć, dzieląc ilość ładunku elektrycznego przez wielkość ładunku pojedynczego elektronu.

Jeśli znasz prąd elektryczny, przepływ ładunku elektrycznego przez obiekt, przemieszczanie się przez obwód i czas przyłożenia prądu, można obliczyć ładunek elektryczny za pomocą równania na prąd Q = To w którym Q jest całkowitym ładunkiem mierzonym w kulombach, ja jest prąd w amperach, i t to czas, w którym prąd jest podawany w sekundach. Możesz także skorzystać z prawa Ohma (V = IR), aby obliczyć prąd z napięcia i rezystancji.

W przypadku obwodu o napięciu 3 V i rezystancji 5 Ω przyłożonego przez 10 sekund, wynikowy prąd wynosi ja = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, a całkowity ładunek będzie Q = To = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Jeśli znasz potencjalną różnicę (V) w woltach przyłożonych w obwodzie i pracy (W) w dżulach w okresie, w którym jest stosowana, ładunek w kulombach, Q = W / V.

•••Syed Hussain Ather

Pole elektryczne, siła elektryczna na jednostkę ładunku, rozprzestrzenia się promieniowo na zewnątrz od ładunków dodatnich do ładunków ujemnych i można ją obliczyć za pomocą mi = fa_mi / q, w którym fa_mi jest siła elektryczna i q jest ładunkiem, który wytwarza pole elektryczne. Biorąc pod uwagę fundamentalne znaczenie pola i siły w obliczeniach elektryczności i magnetyzmu, ładunek elektryczny może: być zdefiniowana jako właściwość materii, która powoduje, że cząstka ma siłę w obecności elektryczności pole.

Nawet jeśli ładunek sieciowy lub całkowity na obiekcie wynosi zero, pola elektryczne pozwalają na różne sposoby rozprowadzania ładunków wewnątrz obiektów. Jeśli istnieją w nich rozkłady ładunków, które skutkują niezerowym ładunkiem netto, obiekty te są spolaryzowany, a ładunek, który powodują te polaryzacje, jest znany jako opłaty związane.

Chociaż naukowcy nie są zgodni co do całkowitego ładunku wszechświata, dokonali uzasadnionych przypuszczeń i przetestowali hipotezy różnymi metodami. Możesz zauważyć, że grawitacja jest dominującą siłą we wszechświecie w skali kosmologicznej, a ponieważ siła elektromagnetyczna jest znacznie silniejsza niż siła grawitacji, gdyby wszechświat miał ładunek netto (dodatni lub ujemny), to bylibyście w stanie zobaczyć dowody na to przy tak ogromnym odległości. Brak tych dowodów skłonił naukowców do przekonania, że ​​wszechświat jest neutralny pod względem ładunku.

To, czy wszechświat zawsze był neutralny pod względem ładunku, czy też jak zmienił się ładunek wszechświata od czasu Wielkiego Wybuchu, to także pytania, które podlegają dyskusji. Gdyby wszechświat miał ładunek netto, naukowcy powinni być w stanie zmierzyć ich tendencje i wpływ na wszystkich linie pola elektrycznego w taki sposób, że zamiast łączyć się z ładunków dodatnich na ładunki ujemne, nigdy się nie skończy. Brak tej obserwacji wskazuje również na argument, że wszechświat nie ma ładunku netto.

•••Syed Hussain Ather

Strumień elektryczny przez płaską (tj. płaską) powierzchnię ZA pola elektrycznego mi jest polem pomnożonym przez składnik pola prostopadłego do pola. Aby uzyskać tę prostopadłą składową, użyj cosinusa kąta między polem a płaszczyzną zainteresowania we wzorze na strumień, reprezentowanym przez Φ = EA sałata(θ), gdzie θ jest kątem między linią prostopadłą do powierzchni a kierunkiem pola elektrycznego.

To równanie, znane jako Prawo Gaussa, mówi również, że dla powierzchni takich jak te, które nazywasz Powierzchnie Gaussa, każdy ładunek netto znajdowałby się na jego powierzchni płaszczyzny, ponieważ konieczne byłoby wytworzenie pola elektrycznego.

Ponieważ zależy to od geometrii obszaru powierzchni użytego do obliczania strumienia, zmienia się w zależności od kształtu. W przypadku okrągłego obszaru obszar strumienia ZA byłoby π_r_² z r jako promień okręgu lub zakrzywionej powierzchni cylindra, pole strumienia byłoby Ch w którym do to obwód okrągłej powierzchni cylindra i h to wysokość cylindra.

Elektryczność statyczna pojawia się, gdy dwa obiekty nie są w równowadze elektrycznej (lub równowaga elektrostatyczna), lub że istnieje przepływ netto opłat z jednego obiektu do drugiego. Gdy materiały ocierają się o siebie, przenoszą między sobą ładunki. Pocieranie skarpet o dywan lub gumę napompowanego balonu na włosach może generować te formy elektryczności. Szok przenosi te nadwyżki z powrotem, aby przywrócić stan równowagi.

Dla konduktor (materiał przewodzący elektryczność) w równowadze elektrostatycznej pole elektryczne wewnątrz jest zerowe, a ładunek netto na jego powierzchni musi pozostać w równowadze elektrostatycznej. Dzieje się tak dlatego, że gdyby istniało pole, elektrony w przewodniku uległyby ponownemu rozmieszczeniu lub wyrównaniu w odpowiedzi na pole. W ten sposób anulują każde pole w momencie, gdy zostanie utworzone.

Drut aluminiowy i miedziany są powszechnymi materiałami przewodzącymi używanymi do przesyłania prądów i przewodników jonowych często stosowane są również rozwiązania, które wykorzystują swobodnie unoszące się jony, aby umożliwić przepływ ładunku z łatwością. Półprzewodniki, takie jak chipy, które pozwalają funkcjonować komputerom, również wykorzystują swobodnie krążące elektrony, ale nie tak dużo jak przewodniki. Półprzewodniki, takie jak krzem i german, również wymagają więcej energii, aby umożliwić krążenie ładunków i ogólnie mają niską przewodność. Natomiast izolatory takie jak drewno, nie pozwalają na łatwy przepływ ładunku przez nie.

Bez pola wewnątrz, w przypadku powierzchni Gaussa, która leży tuż wewnątrz powierzchni przewodnika, pole musi wszędzie wynosić zero, aby strumień był równy zeru. Oznacza to, że wewnątrz przewodnika nie ma ładunku elektrycznego netto. Z tego można wywnioskować, że w przypadku symetrycznych struktur geometrycznych, takich jak kule, ładunek rozkłada się równomiernie na powierzchni powierzchni Gaussa.

Ponieważ ładunek netto na powierzchni musi pozostawać w równowadze elektrostatycznej, każde pole elektryczne musi być prostopadłe do powierzchni przewodnika, aby materiał mógł przenosić ładunki. Prawo Gaussa pozwala obliczyć wielkość tego pola elektrycznego i strumienia dla przewodnika. Pole elektryczne wewnątrz przewodnika musi wynosić zero, a na zewnątrz musi być prostopadłe do powierzchni.

Oznacza to, że dla cylindrycznego przewodnika z polem promieniującym od ścianek pod kątem prostym, całkowity strumień wynosi po prostu 2_E__πr_² dla pola elektrycznego mi i r promień okrągłej powierzchni przewodu cylindrycznego. Możesz również opisać ładunek netto na powierzchni za pomocą σ, gęstość ładunku na jednostkę powierzchni pomnożoną przez powierzchnię.