Cum se calculează încărcarea electrică

Fie că este vorba de electricitate statică degajată de o haină blană sau de electricitatea care alimentează aparatele de televiziune, puteți afla mai multe despre sarcina electrică înțelegând fizica care stă la baza lor. Metodele de calcul al sarcinii depind de natura electricității în sine, cum ar fi principiile modului în care sarcina se distribuie prin obiecte. Aceste principii sunt aceleași indiferent unde vă aflați în univers, făcând din sarcina electrică o proprietate fundamentală a științei însăși.

Există multe modalități de calcul incarcare electrica pentru diverse contexte din fizică și inginerie electrică.

Legea lui Coulomb este utilizat în general la calcularea forței rezultate din particulele care transportă sarcină electrică și este una dintre cele mai comune ecuații de sarcină electrică pe care le veți folosi. Electronii poartă sarcini individuale de -1,602 × 10^-19 coulombii (C) și protonii transportă aceeași cantitate, dar în direcția pozitivă, 1,602 × 10

in care k este o constantă k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Fizicienii și inginerii folosesc uneori variabila e pentru a se referi la încărcarea unui electron.

Rețineți că, pentru sarcini cu semne opuse (plus și minus), forța este negativă și, prin urmare, atractivă între cele două sarcini. Pentru două încărcări cu același semn (plus și plus sau minus și minus), forța este respingătoare. Cu cât sarcinile sunt mai mari, cu atât forța atractivă sau respingătoare este mai puternică între ele.

Legea lui Coulomb are o asemănare izbitoare cu legea lui Newton pentru forța gravitațională F_{G ​} = G m₁m₂ / r² pentru forța gravitațională F_G, masele m₁și m₂, și constanta gravitațională G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Amândouă măsoară forțe diferite, variază cu o masă sau o sarcină mai mare și depind de raza dintre ambele obiecte până la a doua putere. În ciuda similitudinilor, este important să ne amintim că forțele gravitaționale sunt întotdeauna atractive, în timp ce forțele electrice pot fi atractive sau respingătoare.

De asemenea, ar trebui să rețineți că forța electrică este, în general, mult mai puternică decât gravitația, pe baza diferențelor de putere exponențială ale constantelor legilor. Asemănările dintre aceste două legi sunt o indicație mai mare a simetriei și modelelor dintre legile comune ale universului.

Dacă un sistem rămâne izolat (adică fără contact cu altceva în afara acestuia), acesta va economisi taxa. Conservarea sarcinii înseamnă că cantitatea totală de încărcare electrică (încărcare pozitivă minus sarcină negativă) rămâne aceeași pentru sistem. Conservarea sarcinii permite fizicienilor și inginerilor să calculeze câtă sarcină se mișcă între sisteme și împrejurimile lor.

Acest principiu permite oamenilor de știință și inginerilor să creeze cuști Faraday care folosesc scuturi metalice sau acoperire pentru a preveni scăparea încărcăturii. Cuștile Faraday sau scuturile Faraday folosesc tendința câmpului electric de a redistribui încărcăturile în interiorul material care să anuleze efectul câmpului și să împiedice încărcăturile să dăuneze sau să intre în interior. Acestea sunt utilizate în echipamente medicale, cum ar fi aparatele de imagistică prin rezonanță magnetică, pentru a preveni datele fiind distorsionat și în echipamentul de protecție pentru electricieni și linemeni care lucrează în zone periculoase medii.

Puteți calcula debitul net de încărcare pentru un volum de spațiu calculând cantitatea totală de încărcare care intră și scăzând cantitatea totală de încărcare ieșită. Prin intermediul electronilor și protonilor care transportă sarcina, particulele încărcate pot fi create sau distruse pentru a se echilibra în funcție de conservarea sarcinii.

Știind că sarcina unui electron este -1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, o încărcare de -8 × 10 ⁻¹⁸ C ar fi compus din 50 de electroni. Puteți găsi acest lucru împărțind cantitatea de sarcină electrică la magnitudinea sarcinii unui singur electron.

Dacă știți curent electric, fluxul de sarcină electrică printr-un obiect, călătorind printr-un circuit și cât timp este aplicat curentul, puteți calcula sarcina electrică folosind ecuația curentului Î = Aceasta in care Î este sarcina totală măsurată în coulombi, Eu este actual în amperi și t este timpul în care curentul este aplicat în secunde. De asemenea, puteți utiliza legea lui Ohm (V = IR) pentru a calcula curentul din tensiune și rezistență.

Pentru un circuit cu tensiune 3 V și rezistență 5 Ω care se aplică timp de 10 secunde, curentul corespunzător care rezultă este Eu = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, iar sarcina totală ar fi Q = It = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Dacă știți diferența de potențial (V) în volți aplicați într-un circuit și de lucru (W) în jouli realizați în perioada în care se aplică, sarcina în coulombi, Î = W / V.

•••Syed Hussain Ather

Câmp electric, forța electrică pe unitate de încărcare, se extinde radial spre exterior de la sarcini pozitive la sarcini negative și poate fi calculată cu E = F_E / q, in care F_E este forța electrică și q este sarcina care produce câmpul electric. Având în vedere cât de fundamental sunt câmpul și forța calculelor în electricitate și magnetism, sarcina electrică poate să fie definită ca proprietatea materiei care determină o particulă să aibă o forță în prezența unui electric camp.

Chiar dacă încărcarea netă sau totală a unui obiect este zero, câmpurile electrice permit distribuirea sarcinilor în diferite maniere în interiorul obiectelor. Dacă există distribuții de taxe în interiorul acestora care au ca rezultat o încărcare netă diferită de zero, aceste obiecte sunt polarizat, și sarcina cauzată de aceste polarizări sunt cunoscute sub numele de taxe obligatorii.

Deși oamenii de știință nu sunt toți de acord cu privire la care este sarcina totală a universului, ei au făcut presupuneri educate și au testat ipoteze prin diferite metode. Puteți observa că gravitația este forța dominantă în univers pe scara cosmologică și, deoarece forța electromagnetică este mult mai puternică decât forța gravitațională, dacă universul ar avea o sarcină netă (fie pozitivă, fie negativă), atunci ați putea vedea dovezi ale acesteia la un nivel atât de mare distanțe. Absența acestor dovezi i-a determinat pe cercetători să creadă că universul este neutru în ceea ce privește sarcina.

Indiferent dacă universul a fost întotdeauna neutru în ceea ce privește sarcina sau modul în care sarcina universului s-a schimbat de la big bang sunt, de asemenea, întrebări care trebuie puse în discuție. Dacă universul ar avea o sarcină netă, atunci oamenii de știință ar trebui să poată măsura tendințele și efectele lor asupra tuturor liniile de câmp electric într-un mod care, în loc să se conecteze de la sarcini pozitive la sarcini negative, ar face-o nesfarsit. Absența acestei observații indică, de asemenea, argumentul că universul nu are nicio taxă netă.

•••Syed Hussain Ather

fluxul electric printr-o zonă plană (adică plană) A a unui câmp electric E este câmpul înmulțit cu componenta zonei perpendiculare pe câmp. Pentru a obține această componentă perpendiculară, utilizați cosinusul unghiului dintre câmp și planul de interes în formula pentru flux, reprezentată de Φ = EA cos (θ), Unde θ este unghiul dintre linia perpendiculară pe zonă și direcția câmpului electric.

Această ecuație, cunoscută sub numele de Legea lui Gauss, de asemenea, vă spune că, pentru suprafețe ca acestea, pe care le numiți Suprafețe gaussiene, orice sarcină netă ar locui pe suprafața sa a avionului, deoarece ar fi necesar să se creeze câmpul electric.

Deoarece acest lucru depinde de geometria suprafeței utilizate la calcularea fluxului, acesta variază în funcție de formă. Pentru o zonă circulară, zona de flux A ar fi π_r_² cu r ca raza cercului sau pentru suprafața curbată a unui cilindru, aria fluxului ar fi Ch in care C este circumferința feței cilindrice circulare și h este înălțimea cilindrului.

Electricitate statica apare atunci când două obiecte nu se află în echilibru electric (sau echilibru electrostatic), sau, că există un flux net de sarcini de la un obiect la altul. Pe măsură ce materialele se freacă unele de altele, ele transferă taxe între ele. Frecarea șosetelor pe covor sau cauciucul unui balon umflat pe părul dvs. poate genera aceste forme de electricitate. Șocul transferă aceste sarcini în exces înapoi, pentru a restabili o stare de echilibru.

Pentru o conductor (un material care transmite electricitate) în echilibru electrostatic, câmpul electric din interior este zero și sarcina netă de pe suprafața sa trebuie să rămână la echilibru electrostatic. Acest lucru se datorează faptului că, dacă ar exista un câmp, electronii din conductor s-ar redistribui sau se vor alinia ca răspuns la câmp. În acest fel, ar anula orice câmp în momentul în care ar fi creat.

Sârmele de aluminiu și cupru sunt materiale conductoare obișnuite utilizate pentru transmiterea curenților și conductori ionici sunt, de asemenea, adesea folosite, care sunt soluții care utilizează ioni plutitori liber pentru a lăsa să curgă sarcina uşor. Semiconductori, cum ar fi cipurile care permit funcționarea computerelor, folosesc și electroni care circulă liber, dar nu la fel de mulți ca și conductorii. Semiconductorii precum siliciu și germaniu necesită, de asemenea, mai multă energie pentru a permite circulației sarcinilor și, în general, au conductivități scăzute. În contrast, izolatori precum lemnul nu lasă sarcina să curgă ușor prin ele.

Fără câmp în interior, pentru o suprafață gaussiană care se află chiar în interiorul suprafeței conductorului, câmpul trebuie să fie zero peste tot, astfel încât fluxul să fie zero. Aceasta înseamnă că nu există nicio sarcină electrică netă în interiorul conductorului. Din aceasta, puteți deduce că, pentru structurile geometrice simetrice, cum ar fi sferele, sarcina se distribuie uniform pe suprafața suprafeței Gaussiene.

Deoarece sarcina netă pe o suprafață trebuie să rămână în echilibru electrostatic, orice câmp electric trebuie să fie perpendicular pe suprafața unui conductor pentru a permite materialului să transmită sarcini. Legea lui Gauss vă permite să calculați magnitudinea acestui câmp electric și fluxul pentru conductor. Câmpul electric din interiorul unui conductor trebuie să fie zero și, în exterior, trebuie să fie perpendicular pe suprafață.

Aceasta înseamnă, pentru un conductor cilindric cu câmpul care radiază de la pereți la un unghi perpendicular, fluxul total este pur și simplu 2_E__πr_² pentru un câmp electric E și r raza feței circulare a conductorului cilindric. De asemenea, puteți descrie încărcarea netă la suprafață folosind σ, densitatea sarcinii pe unitate de suprafață, înmulțită cu suprafața.