Ako vypočítať elektrický náboj

Či už je to statická elektrina vydávaná kožušinovým kabátom alebo elektrina poháňajúca televízory, viac o elektrickom náboji sa dozviete pochopením základnej fyziky. Metódy výpočtu náboja závisia od povahy samotnej elektriny, napríklad od princípov distribúcie náboja cez objekty. Tieto princípy sú rovnaké bez ohľadu na to, kde sa vo vesmíre nachádzate, takže elektrický náboj je základnou vlastnosťou samotnej vedy.

Existuje mnoho spôsobov výpočtu nabíjačka pre rôzne kontexty vo fyzike a elektrotechnike.

Coulombov zákon sa všeobecne používa pri výpočte sily vznikajúcej z častíc prenášajúcich elektrický náboj a je jednou z najbežnejších rovníc elektrického náboja, ktoré použijete. Elektróny nesú jednotlivé náboje −1,602 × 10^-19 coulomby (C) a protóny nesú rovnaké množstvo, ale v kladnom smere 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. Za dva náboje q₁ a q₂_ktoré sú od seba vzdialené _r, môžete vypočítať elektrickú silu F_E generované pomocou Coulombovho zákona:

v ktorom k je konštanta k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Fyzici a inžinieri niekedy používajú premennú e označovať náboj elektrónu.

Upozorňujeme, že pre náboje opačných znamienok (plus a mínus) je sila záporná, a preto je medzi týmito dvoma nábojmi príťažlivá. Pre dva náboje rovnakého znamienka (plus a plus alebo mínus a mínus) je sila odpudivá. Čím väčšie sú náboje, tým silnejšia je medzi nimi príťažlivá alebo odpudivá sila.

Coulombov zákon sa nápadne podobá Newtonovmu zákonu o gravitačnej sile F_{G ​} = G m₁m₂ / r² pre gravitačnú silu F_G, omše m₁a m₂a gravitačná konštanta G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Oba merajú rôzne sily, menia sa s väčšou hmotnosťou alebo nábojom a závisia od polomeru medzi oboma objektmi k druhej sile. Napriek podobnostiam je potrebné pamätať na to, že gravitačné sily sú vždy atraktívne, zatiaľ čo elektrické sily môžu byť atraktívne alebo odpudzujúce.

Mali by ste tiež poznamenať, že elektrická sila je všeobecne oveľa silnejšia ako gravitácia na základe rozdielov v exponenciálnom výkone konštánt zákonov. Podobnosti medzi týmito dvoma zákonmi sú väčšou indikáciou symetrie a vzorov medzi bežnými zákonmi vesmíru.

Ak systém zostane izolovaný (tj. Bez kontaktu s čímkoľvek iným mimo neho), ušetrí to náboj. Zachovanie poplatku znamená, že celkové množstvo elektrického náboja (kladný náboj mínus záporný náboj) zostáva pre systém rovnaké. Šetrenie náboja umožňuje fyzikom a inžinierom vypočítať, koľko náboja sa pohybuje medzi systémami a ich okolím.

Tento princíp umožňuje vedcom a inžinierom vytvárať Faradayove klietky, ktoré používajú kovové štíty alebo povlak na zabránenie úniku náboja. Faradayove klietky alebo Faradayove štíty využívajú tendenciu elektrického poľa znova distribuovať náboje v rámci materiál na zrušenie účinku poľa a zabránenie poškodeniu alebo vstupu poplatkov do interiér. Používajú sa v lekárskych zariadeniach, ako sú napríklad prístroje na zobrazovanie magnetickou rezonanciou, na zabránenie úniku údajov skreslené a v ochranných pomôckach pre elektrikárov a linemenov pracujúcich v nebezpečnom prostredí prostrediach.

Čistý tok náboja pre objem priestoru môžete vypočítať výpočtom celkového množstva vstupujúceho náboja a odpočítaním celkového množstva zostávajúceho náboja. Prostredníctvom elektrónov a protónov, ktoré prenášajú náboj, môžu byť vytvorené alebo zničené nabité častice, aby sa vyrovnali podľa zachovania náboja.

Vedieť, že náboj elektrónu je −1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, náboj −8 × 10 ⁻¹⁸ C by bola zložená z 50 elektrónov. Nájdete to vydelením množstva elektrického náboja veľkosťou náboja jedného elektrónu.

Ak viete elektrický prúd, tok elektrického náboja objektom, prechod obvodom a ako dlho je prúd aplikovaný, môžete elektrický náboj vypočítať pomocou rovnice pre prúd Q = To v ktorom Q je celkový náboj meraný v coulomboch, Ja je prúd v ampéroch a t je čas, kedy sa prúd aplikuje v sekundách. Môžete tiež použiť Ohmov zákon (V. = IR) na výpočet prúdu z napätia a odporu.

Pre obvod s napätím 3 V a odporom 5 Ω, ktorý je aplikovaný na 10 sekúnd, je zodpovedajúci výsledný prúd Ja = V. / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A a celkový náboj by bol Q = to = 0,6 A × 10 s = 6 ° C

Ak poznáte potenciálny rozdiel (V.) vo voltoch použitých v obvode a pri práci (Ž) v jouloch vykonaných počas obdobia, ktoré sa uplatňuje, náboj v coulomboch, Q = Ž / V..

•••Syed Hussain Ather

Elektrické pole, elektrická sila na jednotku náboja, sa šíri radiálne smerom von z kladných nábojov do záporných nábojov a dá sa vypočítať pomocou E = F_E / q, v ktorom F_E je elektrická sila a q je náboj, ktorý produkuje elektrické pole. Vzhľadom na to, aké základné je pole a sila pri výpočtoch elektriny a magnetizmu, môže elektrický náboj sa dá definovať ako vlastnosť hmoty, ktorá spôsobuje, že častica má silu v prítomnosti elektriny lúka.

Aj keď je sieťový alebo celkový náboj na objekte nulový, elektrické polia umožňujú distribúciu nábojov rôznymi spôsobmi vo vnútri objektov. Ak sú v nich distribúcie nábojov, ktorých výsledkom je nenulový čistý náboj, tieto objekty sú polarizovanýa náboj, ktorý tieto polarizácie spôsobujú, sú známe ako viazané poplatky.

Aj keď sa všetci vedci nezhodujú na tom, aký je celkový náboj vesmíru, urobili poučené dohady a testovali hypotézy pomocou rôznych metód. Môžete pozorovať, že gravitácia je dominantnou silou vo vesmíre v kozmologickom meradle, a pretože elektromagnetická sila je oveľa silnejšia než gravitačná sila, keby mal vesmír čistý náboj (pozitívny alebo negatívny), potom by ste boli schopní vidieť o ňom dôkazy pri tak obrovskom vzdialenosti. Absencia tohto dôkazu viedla vedcov k presvedčeniu, že vesmír je nábojovo neutrálny.

Otázky, o ktorých sa dá diskutovať, sú aj to, či bol vesmír vždy neutrálny alebo ako sa zmenil náboj vesmíru od veľkého tresku. Keby mal vesmír čistý náboj, potom by mali byť vedci schopní zmerať ich tendencie a účinky na všetkých elektrické siločiary takým spôsobom, že namiesto pripojenia z kladných nábojov na záporné náboje by to robili nikdy neskončí. Absencia tohto pozorovania poukazuje aj na argument, že vesmír nemá žiadny čistý náboj.

•••Syed Hussain Ather

The elektrický tok cez rovinnú (t.j. rovnú) plochu A elektrického poľa E je pole vynásobené zložkou oblasti kolmej na pole. Na získanie tejto kolmej zložky použijeme kosínus uhla medzi poľom a záujmovou rovinou vo vzorci toku, ktorý predstavuje Φ = EA cos (θ), kde θ je uhol medzi priamkou kolmou na plochu a smerom elektrického poľa.

Táto rovnica, známa ako Gaussov zákon, vám to tiež hovorí, pre povrchy, ako sú tieto, ktoré voláte Gaussove povrchy, akýkoľvek čistý náboj by spočíval na jeho povrchu roviny, pretože by bolo potrebné vytvoriť elektrické pole.

Pretože to závisí od geometrie plochy povrchu použitej pri výpočte toku, mení sa to v závislosti od tvaru. Pre kruhovú oblasť oblasť toku A bude π_r_² s r ako polomer kruhu alebo pre zakrivenú plochu valca by bola plocha toku Ch v ktorom C. je obvod kruhovej plochy valca a h je výška valca.

Statická elektrina sa objaví, keď dva objekty nie sú v elektrickej rovnováhe (alebo elektrostatická rovnováha), alebo že existuje čistý tok poplatkov z jedného objektu do druhého. Keď sa materiály o seba otierajú, prenášajú si poplatky navzájom. Trenie ponožiek o koberec alebo gumu nafúknutého balónika na vlasoch môže generovať tieto formy elektriny. Šok prenáša tieto prebytočné náboje späť, aby sa obnovil rovnovážny stav.

Pre vodič (materiál, ktorý prenáša elektrinu) v elektrostatickej rovnováhe, elektrické pole vo vnútri je nulové a čistý náboj na jeho povrchu musí zostať v elektrostatickej rovnováhe. Je to preto, že ak by tam bolo pole, elektróny vo vodiči by sa v reakcii na pole znovu distribuovali alebo znova zoradili. Týmto spôsobom by zrušili akékoľvek pole v okamihu, keď by bolo vytvorené.

Hliníkový a medený drôt sú bežné vodivé materiály používané na prenos prúdov a iónové vodiče Často sa tiež používajú roztoky, ktoré pomocou voľne plávajúcich iónov nechávajú prúdiť náboj ľahko. Polovodiče, ako sú čipy, ktoré umožňujú fungovanie počítačov, tiež používajú voľne cirkulujúce elektróny, ale nie toľko ako vodiče. Polovodiče ako kremík a germánium tiež vyžadujú viac energie, aby umožnili cirkuláciu nábojov, a majú spravidla nízku vodivosť. Naopak, izolátory napríklad drevo, nenechajte cez ne náboj ľahko pretekať.

Ak vo vnútri nie je žiadne pole, pre Gaussov povrch, ktorý leží len vo vnútri povrchu vodiča, musí byť pole všade nulové, aby bol tok nulový. To znamená, že vo vnútri vodiča nie je žiadny elektrický náboj. Z toho možno odvodiť, že pre symetrické geometrické štruktúry, ako sú napríklad gule, sa náboj rovnomerne distribuuje na povrchu Gaussovej plochy.

Pretože sieťový náboj na povrchu musí zostať v elektrostatickej rovnováhe, musí byť akékoľvek elektrické pole kolmé na povrch vodiča, aby materiál mohol prenášať náboje. Gaussov zákon vám umožňuje vypočítať veľkosť tohto elektrického poľa a tok pre vodič. Elektrické pole vo vnútri vodiča musí byť nulové a zvonka musí byť kolmé na povrch.

To znamená, že pre valcový vodič s poľom vyžarujúcim zo stien v kolmom uhle je celkový tok jednoducho 2_E__πr_² pre elektrické pole E a r polomer kruhovej plochy valcového vodiča. Môžete tiež opísať sieťový náboj na povrchu pomocou σ, hustota náboja na jednotku plochy vynásobené plochou.