Como calcular a carga elétrica

Seja a eletricidade estática emitida por um casaco peludo ou a eletricidade que alimenta os aparelhos de televisão, você pode aprender mais sobre a carga elétrica ao entender a física subjacente. Os métodos para calcular a carga dependem da própria natureza da eletricidade, como os princípios de como a carga se distribui pelos objetos. Esses princípios são os mesmos, não importa onde você esteja no universo, tornando a carga elétrica uma propriedade fundamental da própria ciência.

Existem muitas maneiras de calcular carga elétrica para vários contextos em física e engenharia elétrica.

Lei de Coulomb é geralmente usado para calcular a força resultante de partículas que transportam carga elétrica e é uma das equações de carga elétrica mais comuns que você usará. Elétrons carregam cargas individuais de -1,602 × 10^-19 coulombs (C) e prótons carregam a mesma quantidade, mas na direção positiva, 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. Por duas cargas q₁ e q₂_que são separados por uma distância _r, você pode calcular a força elétrica F_E gerado usando a lei de Coulomb:

no qual k é uma constante k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Físicos e engenheiros às vezes usam a variável e para se referir à carga de um elétron.

Observe que, para cargas de sinais opostos (mais e menos), a força é negativa e, portanto, atrativa entre as duas cargas. Para duas cargas do mesmo sinal (mais e mais ou menos e menos), a força é repulsiva. Quanto maiores as cargas, mais forte é a força atrativa ou repulsiva entre eles.

A lei de Coulomb tem uma semelhança impressionante com a lei de Newton para a força gravitacional F_{G ​} = G m₁m₂ / r² para força gravitacional F_G, massas m₁e m₂, e constante gravitacional G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Ambos medem forças diferentes, variam com maior massa ou carga e dependem do raio entre os dois objetos à segunda potência. Apesar das semelhanças, é importante lembrar que as forças gravitacionais são sempre atrativas, enquanto as forças elétricas podem ser atrativas ou repulsivas.

Você também deve notar que a força elétrica é geralmente muito mais forte do que a gravidade com base nas diferenças na potência exponencial das constantes das leis. As semelhanças entre essas duas leis são uma indicação maior de simetria e padrões entre as leis comuns do universo.

Se um sistema permanecer isolado (ou seja, sem contato com qualquer outra coisa fora dele), ele irá economizar carga. Conservação de carga significa que a quantidade total de carga elétrica (carga positiva menos carga negativa) permanece a mesma para o sistema. A conservação de carga permite que físicos e engenheiros calculem quanta carga se move entre os sistemas e seus arredores.

Este princípio permite que cientistas e engenheiros criem gaiolas de Faraday que usam escudos ou revestimentos metálicos para evitar que a carga escape. As gaiolas de Faraday ou escudos de Faraday usam a tendência de um campo elétrico para redistribuir cargas dentro do material para cancelar o efeito do campo e evitar que as cargas prejudiquem ou entrem no interior. Estes são usados ​​em equipamentos médicos, como máquinas de ressonância magnética, para evitar que os dados sendo distorcido e em equipamento de proteção para eletricistas e eletricistas que trabalham em áreas perigosas ambientes.

Você pode calcular o fluxo de carga líquido para um volume de espaço calculando a quantidade total de carga que entra e subtraindo a quantidade total de carga que sai. Por meio de elétrons e prótons que carregam, partículas carregadas podem ser criadas ou destruídas para se equilibrar de acordo com a conservação da carga.

Saber que a carga de um elétron é -1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, uma carga de −8 × 10 ⁻¹⁸ C seria composto de 50 elétrons. Você pode descobrir isso dividindo a quantidade de carga elétrica pela magnitude da carga de um único elétron.

Se você conhece o corrente elétrica, o fluxo de carga elétrica através de um objeto, viajando através de um circuito e por quanto tempo a corrente é aplicada, você pode calcular a carga elétrica usando a equação para a corrente Q = Isto no qual Q é a carga total medida em coulombs, eu é atual em amperes, e t é o tempo em que a corrente é aplicada em segundos. Você também pode usar a lei de Ohm (V = IR) para calcular a corrente de tensão e resistência.

Para um circuito com tensão 3 V e resistência 5 Ω que é aplicada por 10 segundos, a corrente correspondente resultante é eu = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, e a carga total seria Q = It = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Se você sabe a diferença potencial (V) em volts aplicados em um circuito e o trabalho (C) em joules feito durante o período em que é aplicado, a carga em coulombs, Q = C / V.

•••Syed Hussain Ather

Campo elétrico, a força elétrica por unidade de carga se espalha radialmente para fora a partir de cargas positivas em direção a cargas negativas e pode ser calculada com E = F_E / q, no qual F_E é a força elétrica e q é a carga que produz o campo elétrico. Dado o quão fundamental são o campo e a força para os cálculos de eletricidade e magnetismo, a carga elétrica pode ser definida como a propriedade da matéria que faz com que uma partícula tenha uma força na presença de uma campo.

Mesmo que a carga líquida ou total em um objeto seja zero, os campos elétricos permitem que as cargas sejam distribuídas de várias maneiras dentro dos objetos. Se houver distribuições de carga dentro deles que resultem em uma carga líquida diferente de zero, esses objetos são polarizado, e a carga que essas polarizações causam são conhecidas como encargos vinculados.

Embora os cientistas não concordem sobre qual é a carga total do universo, eles fizeram suposições fundamentadas e testaram hipóteses por meio de vários métodos. Você pode observar que a gravidade é a força dominante no universo na escala cosmológica e, porque a força eletromagnética é muito mais forte do que a força gravitacional, se o universo tivesse uma carga líquida (positiva ou negativa), então você seria capaz de ver evidências disso em distâncias. A ausência dessa evidência levou os pesquisadores a acreditar que o universo é neutro em termos de carga.

Se o universo sempre foi neutro em termos de carga ou como a carga do universo mudou desde o big bang também são questões que estão em debate. Se o universo tivesse uma carga líquida, os cientistas deveriam ser capazes de medir suas tendências e efeitos sobre todos linhas de campo elétrico de forma que, em vez de conectar cargas positivas a negativas, eles iriam nunca acaba. A ausência dessa observação também aponta para o argumento de que o universo não tem carga líquida.

•••Syed Hussain Ather

O fluxo eletrico através de uma área plana (ou seja, plana) UMA de um campo elétrico E é o campo multiplicado pelo componente da área perpendicular ao campo. Para obter este componente perpendicular, você usa o cosseno do ângulo entre o campo e o plano de interesse na fórmula do fluxo, representado por Φ = EA cos (θ), Onde θ é o ângulo entre a linha perpendicular à área e a direção do campo elétrico.

Esta equação, conhecida como Lei de Gauss, também diz que, para superfícies como essas, que você chama Superfícies Gaussianas, qualquer carga líquida residiria em sua superfície do plano porque seria necessário criar o campo elétrico.

Como isso depende da geometria da área da superfície usada no cálculo do fluxo, ela varia de acordo com a forma. Para uma área circular, a área de fluxo UMA seria π_r_² com r como o raio do círculo, ou para a superfície curva de um cilindro, a área de fluxo seria CH no qual C é a circunferência da face do cilindro circular e h é a altura do cilindro.

Eletricidade estática surge quando dois objetos não estão em equilíbrio elétrico (ou equilíbrio eletrostático), ou que existe um fluxo líquido de cargas de um objeto para outro. À medida que os materiais se esfregam, eles transferem cargas entre si. Esfregar meias no carpete ou a borracha de um balão inflado no cabelo pode gerar essas formas de eletricidade. O choque transfere essas cargas excedentes de volta, para restabelecer um estado de equilíbrio.

Para condutor (um material que transmite eletricidade) em equilíbrio eletrostático, o campo elétrico interno é zero e a carga líquida em sua superfície deve permanecer em equilíbrio eletrostático. Isso ocorre porque, se houvesse um campo, os elétrons no condutor seriam redistribuídos ou realinhados em resposta ao campo. Dessa forma, eles cancelariam qualquer campo no instante em que fosse criado.

Fios de alumínio e cobre são materiais condutores comuns usados ​​para transmitir correntes e condutores iônicos também são frequentemente usados, que são soluções que usam íons flutuando livremente para permitir que a carga flua através facilmente. Semicondutores, como os chips que permitem as funções dos computadores, também usam elétrons de livre circulação, mas não tantos como os condutores. Semicondutores como o silício e o germânio também requerem mais energia para permitir a circulação das cargas e geralmente têm baixa condutividade. Por contraste, isoladores como a madeira, não permitem que a carga flua facilmente através deles.

Sem campo interno, para uma superfície gaussiana que fica logo dentro da superfície do condutor, o campo deve ser zero em todos os lugares para que o fluxo seja zero. Isso significa que não há carga elétrica líquida dentro do condutor. A partir disso, você pode deduzir que, para estruturas geométricas simétricas, como esferas, a carga se distribui uniformemente na superfície da superfície gaussiana.

Como a carga líquida em uma superfície deve permanecer em equilíbrio eletrostático, qualquer campo elétrico deve ser perpendicular à superfície de um condutor para permitir que o material transmita cargas. A lei de Gauss permite calcular a magnitude deste campo elétrico e fluxo para o condutor. O campo elétrico dentro de um condutor deve ser zero e, fora, deve ser perpendicular à superfície.

Isso significa que, para um condutor cilíndrico com campo irradiando das paredes em um ângulo perpendicular, o fluxo total é simplesmente 2_E__πr_² para um campo elétrico E e r raio da face circular do condutor cilíndrico. Você também pode descrever a carga líquida na superfície usando σ, a densidade de carga por unidade de área, multiplicado pela área.