Kako izračunati električni naboj

Ne glede na to, ali gre za statično elektriko, ki jo oddaja krznen plašč, ali elektriko, ki napaja televizorje, lahko več o električnem naboju izveste z razumevanjem osnovne fizike. Metode za izračun naboja so odvisne od narave same električne energije, na primer od načel, kako se naboj porazdeli skozi predmete. Ta načela so enaka ne glede na to, kje se nahajate v vesolju, zaradi česar je električni naboj temeljna lastnost same znanosti.

Obstaja veliko načinov izračuna električni naboj za različne kontekste v fiziki in elektrotehniki.

Coulombov zakon se običajno uporablja pri izračunu sile, ki je posledica delcev, ki nosijo električni naboj, in je ena najpogostejših enačb električnega naboja, ki jo boste uporabili. Elektroni nosijo posamezne naboje -1602 × 10^-19 kulomi (C) in protoni nosijo enako količino, vendar v pozitivni smeri, 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. Za dve obtožbi q₁ in q₂_to jih ločuje razdalja _r, lahko izračunate električno silo F_E ustvarjena z uporabo Coulombovega zakona:

v kateri k je stalnica k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Fiziki in inženirji včasih uporabljajo spremenljivko e da se nanaša na naboj elektrona.

Upoštevajte, da je pri nabojih nasprotnih znakov (plus in minus) sila med obema nabojema negativna in zato privlačna. Pri dveh nabojih istega znaka (plus in plus ali minus in minus) je sila odbojna. Večji kot so naboji, močnejša je privlačna ali odbojna sila med njimi.

Coulombov zakon je presenetljivo podoben Newtonovemu zakonu o gravitacijski sili F_{G ​} = G m₁m₂ / r² za gravitacijsko silo F_G, maše m₁in m₂in gravitacijska konstanta G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Oba merita različne sile, spreminjata se z večjo maso ali nabojem in sta odvisna od polmera med obema predmetoma do druge moči. Kljub podobnosti je pomembno vedeti, da so gravitacijske sile vedno privlačne, medtem ko so električne sile lahko privlačne ali odbijajoče.

Upoštevati morate tudi, da je električna sila na splošno veliko močnejša od gravitacije na podlagi razlik v eksponentni moči konstant zakonov. Podobnosti med tema zakonoma bolj kažejo na simetrijo in vzorce med običajnimi zakoni vesolja.

Če sistem ostane izoliran (tj. Brez stika s čim drugim zunaj njega), bo prihranil naboj. Ohranjanje naboja pomeni, da celotna količina električnega naboja (pozitivni naboj minus negativni naboj) ostane enaka za sistem. Ohranjanje naboja omogoča fizikom in inženirjem, da izračunajo, koliko naboja se premika med sistemi in okolico.

To načelo omogoča znanstvenikom in inženirjem, da ustvarijo Faradayeve kletke, ki s kovinskimi ščiti ali prevleko preprečujejo uhajanje naboja. Faradayeve kletke ali Faradayevi ščiti uporabljajo tendenco električnega polja, da ponovno porazdeli naboje znotraj material, da se izniči učinek polja in prepreči, da bi obtožbe škodovale ali vstopile v notranjost. Ti se uporabljajo v medicinski opremi, kot so aparati za slikanje z magnetno resonanco, da se prepreči dostop do podatkov v zaščitni opremi za električarje in mojsterje, ki delajo v nevarnih območjih okoljih.

Neto pretok naboja za prostornino prostora lahko izračunate tako, da izračunate skupno količino vstopa naboja in odštejete skupni znesek napuha. Z elektroni in protoni, ki nosijo naboj, lahko nabite delce ustvarimo ali uničimo, da se uravnotežimo glede na ohranitev naboja.

Če vemo, da je naboj elektrona -1602 × 10 ⁻¹⁹ C, naboj −8 × 10 ⁻¹⁸ C bi bil sestavljen iz 50 elektronov. To lahko najdete tako, da količino električnega naboja delite z velikostjo naboja posameznega elektrona.

Če poznate električni tok, pretok električnega naboja skozi predmet, ki potuje skozi vezje in kako dolgo deluje tok, lahko izračunate električni naboj z uporabo enačbe za tok V = To v kateri V je skupni naboj, izmerjen v kulonih, jaz je tok v amperih in t je čas, v katerem se tok uporabi v sekundah. Uporabite lahko tudi Ohmov zakon (V = IR) za izračun toka iz napetosti in upora.

Za vezje z napetostjo 3 V in uporom 5 Ω, ki deluje 10 sekund, je ustrezni tok, ki je rezultat jaz = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, celotni naboj pa bi bil Q = To = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Če poznate potencialno razliko (V) v voltih, uporabljenih v vezju, in delo (W) v džulih, opravljenih v obdobju uporabe, naboj v kulomih, V = W / V.

•••Syed Hussain Ather

Električno polje, električna sila na enoto naboja se širi radialno navzven od pozitivnih na negativne naboje in jo lahko izračunamo z E = F_E / q, v kateri F_E je električna sila in q je naboj, ki ustvarja električno polje. Glede na to, kako bistveni sta polje in sila za izračune v elektriki in magnetizmu, lahko električni naboj opredeliti kot lastnost snovi, ki povzroči, da ima delec silo v prisotnosti elektrike polje.

Tudi če je neto ali skupni naboj na predmetu enak nič, električna polja omogočajo porazdelitev nabojev na različne načine znotraj predmetov. Če so znotraj njih porazdelitve nabojev, ki povzročijo ničelno neto naboj, so ti predmeti polariziranoin naboj, ki ga povzročajo te polarizacije, so znani kot vezani naboji.

Čeprav se znanstveniki ne strinjajo glede skupnega naboja vesolja, so z različnimi metodami ugibali in preizkušali hipoteze. Opazite lahko, da je gravitacija prevladujoča sila v vesolju na kozmološki lestvici in ker je elektromagnetna sila veliko močnejša kot gravitacijska sila, če bi vesolje imelo neto naboj (bodisi pozitiven bodisi negativen), potem bi lahko videli dokaze o njem na tako velikem razdalje. Odsotnost teh dokazov vodi raziskovalce k prepričanju, da je vesolje nevtralno.

Ali je vesolje vedno bilo nabojno nevtralno ali kako se je naboj vesolja spreminjal od velikega poka, so tudi vprašanja, o katerih je treba razpravljati. Če bi vesolje imelo neto naboj, bi morali znanstveniki izmeriti njihove težnje in učinke na vse vodov električnega polja na tak način, da bi se, namesto da bi se povezali s pozitivnih na negativne naboje nikoli konec. Odsotnost tega opažanja prav tako kaže na argument, da vesolje nima neto naboja.

•••Syed Hussain Ather

The električni tok skozi ravninsko (tj. ravno) območje A električnega polja E je polje, pomnoženo s komponento površine, pravokotne na polje. Da dobimo to pravokotno komponento, v formuli za tok uporabimo kosinus kota med poljem in ravnino, ki nas zanima. Φ = EA cos (θ), kje θ je kot med premico, pravokotno na površino, in smerjo električnega polja.

Ta enačba, znana kot Gaussov zakon, vam to tudi pove, za površine, kot so te, ki jih pokličete Gaussove površine, vsak neto naboj bi stal na njeni površini ravnine, ker bi bilo treba ustvariti električno polje.

Ker je to odvisno od geometrije površine površine, uporabljene pri izračunu pretoka, se spreminja glede na obliko. Za krožno območje je območje toka A bi bilo π_r_² s r kot polmer kroga ali za ukrivljeno površino valja bi bilo območje toka Ch v kateri C je obseg površine krožnega valja in h je višina valja.

Statična elektrika se pojavi, ko dva predmeta nista v električnem ravnotežju (oz elektrostatično ravnotežje), ali da obstaja neto pretok nabojev z enega predmeta na drugega. Ko se materiali drgnejo drug ob drugega, med seboj prenašajo naboje. Z drgnjenjem nogavic na preprogi ali gumo napihnjenega balona na laseh lahko ustvarite te oblike električne energije. Šok te presežne naboje prenese nazaj, da se ponovno vzpostavi ravnotežno stanje.

Za dirigent (material, ki prenaša električno energijo) v elektrostatičnem ravnotežju je električno polje znotraj nič in neto naboj na njegovi površini mora ostati v elektrostatičnem ravnotežju. To je zato, ker bi se elektroni v prevodniku, če bi obstajalo polje, ponovno razporedili ali poravnali kot odgovor na polje. Tako bi preklicali poljubno polje, takoj ko bi bilo ustvarjeno.

Aluminijasta in bakrena žica sta običajni prevodniški materiali, ki se uporabljajo za prenos tokov, in ionski vodniki Pogosto se uporabljajo tudi rešitve, ki s prosto plavajočimi ioni puščajo tok enostavno. Polprevodniki, kot so čipi, ki omogočajo delovanje računalnikov, uporabljajo tudi prosto krožeče elektrone, vendar ne toliko kot vodniki. Polprevodniki, kot sta silicij in germanij, potrebujejo tudi več energije, da naboji krožijo in imajo na splošno nizko prevodnost. Nasprotno pa izolatorji kot je les, ne puščajo, da naboj skozi njih zlahka teče.

Brez notranjega polja, za Gaussovo površino, ki leži tik znotraj površine vodnika, mora biti polje povsod nič, tako da je tok enak nič. To pomeni, da znotraj vodnika ni neto električnega naboja. Iz tega lahko ugotovite, da se naboj za simetrične geometrijske strukture, kot so krogle, enakomerno porazdeli po površini Gaussove površine.

Ker mora neto naboj na površini ostati v elektrostatičnem ravnotežju, mora biti vsako električno polje pravokotno na površino vodnika, da material lahko prenaša naboje. Gaussov zakon vam omogoča izračun velikosti tega električnega polja in pretoka za vodnik. Električno polje znotraj vodnika mora biti nič, zunaj pa mora biti pravokotno na površino.

To pomeni, da je za cilindrični vodnik s poljem, ki seva od sten pod pravokotnim kotom, skupni tok preprosto 2_E__πr_² za električno polje E in r polmer krožne ploskve valjastega vodnika. Z uporabo lahko opišete tudi neto naboj na površini σ, gostota naboja na enoto površine, pomnoženo s površino.