Hur man beräknar elektrisk laddning

Oavsett om det är statisk elektricitet som ges av en päls, eller den el som driver TV-apparater, kan du lära dig mer om elektrisk laddning genom att förstå den underliggande fysiken. Metoderna för att beräkna laddning beror på själva elens natur, såsom principer för hur laddning fördelar sig genom objekt. Dessa principer är desamma oavsett var du befinner dig i universum, vilket gör elektrisk laddning till en grundläggande egenskap för vetenskapen själv.

Det finns många sätt att beräkna elektrisk laddning för olika sammanhang inom fysik och elektroteknik.

Coulombs lag används vanligtvis vid beräkning av kraften som härrör från partiklar som bär elektrisk laddning och är en av de vanligaste elektriska laddningsekvationerna du kommer att använda. Elektroner har individuella laddningar på -1,602 × 10^-19 coulombs (C) och protoner bär samma mängd, men i positiv riktning, 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. För två avgifter q₁ och q₂_ som är åtskilda av ett avstånd _rkan du beräkna den elektriska kraften F_E genereras med Coulombs lag:

i vilken k är en konstant k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Fysiker och ingenjörer använder ibland variabeln e att hänvisa till laddningen av en elektron.

Observera att för laddningar av motsatta tecken (plus och minus) är kraften negativ och därför attraktiv mellan de två laddningarna. För två laddningar av samma tecken (plus och plus eller minus och minus) är kraften frånstötande. Ju större laddningar är, desto starkare är den attraktiva eller avstötande kraften mellan dem.

Coulombs lag har en slående likhet med Newtons lag för gravitationskraft F_{G ​} = G m₁m₂ / r² för gravitationskraft F_G, massor m₁och m₂och gravitationskonstant G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². De mäter båda olika krafter, varierar med större massa eller laddning och beror på radien mellan båda föremålen till den andra effekten. Trots likheterna är det viktigt att komma ihåg att gravitationskrafterna alltid är attraktiva medan elektriska krafter kan vara attraktiva eller motbjudande.

Du bör också notera att den elektriska kraften i allmänhet är mycket starkare än gravitationen baserat på skillnaderna i den exponentiella kraften hos lagarna. Likheterna mellan dessa två lagar är en större indikation på symmetri och mönster bland vanliga lagar i universum.

Om ett system förblir isolerat (dvs. utan kontakt med något annat utanför det) kommer det att spara laddning. Bevarande av avgift betyder att den totala mängden elektrisk laddning (positiv laddning minus negativ laddning) förblir densamma för systemet. Med bevarande av laddning kan fysiker och ingenjörer beräkna hur mycket laddning rör sig mellan system och deras omgivningar.

Denna princip låter forskare och ingenjörer skapa Faraday-burar som använder metallskydd eller beläggning för att förhindra laddning från att fly. Faradays burar eller Faradays sköldar använder ett elektriskt fälts tendens att omfördela laddningar inom material för att eliminera effekten av fältet och förhindra att avgifterna skadar eller kommer in i interiör. Dessa används i medicinsk utrustning såsom magnetiska resonansbildningsmaskiner för att förhindra data från är förvrängd och i skyddsutrustning för elektriker och linjearbetare som arbetar i farligt tillstånd miljöer.

Du kan beräkna nettoladdningsflödet för en volym utrymme genom att beräkna det totala laddningsbeloppet som matar in och subtraherar det totala beloppet som lämnas. Genom elektroner och protoner som bär laddning kan laddade partiklar skapas eller förstöras för att balansera sig ut beroende på laddningskonservering.

Att veta att laddningen för en elektron är -1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, en laddning av −8 × 10 ⁻¹⁸ C skulle bestå av 50 elektroner. Du hittar detta genom att dela mängden elektrisk laddning med storleken på laddningen för en enda elektron.

Om du vet elektrisk ström, flödet av elektrisk laddning genom ett objekt, som går genom en krets och hur länge strömmen appliceras, kan du beräkna elektrisk laddning med ekvationen för ström F = Det i vilken F är den totala laddningen mätt i coulombs, Jag är aktuell i ampere, och t är den tid som strömmen appliceras i sekunder. Du kan också använda Ohms lag (V = IR) för att beräkna ström från spänning och motstånd.

För en krets med spänning 3 V och motstånd 5 Ω som appliceras i 10 sekunder är motsvarande ström som resulterar Jag = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, och den totala laddningen skulle vara Q = Det = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Om du vet den potentiella skillnaden (V) i volt applicerade i en krets och arbetet (W) i joule gjorda under den period det appliceras, laddningen i coulombs, F = W / V.

•••Syed Hussain Ather

Elektriskt fält, den elektriska kraften per laddningsenhet, sprider sig radiellt utåt från positiva laddningar mot negativa laddningar och kan beräknas med E = F_E / q, i vilken F_E är den elektriska kraften och q är laddningen som producerar det elektriska fältet. Med tanke på hur grundläggande fält och kraft är för beräkningar inom el och magnetism, kan elektrisk laddning definieras som materiens egenskap som får en partikel att ha en kraft i närvaro av en elektrisk fält.

Även om nätets eller total laddning på ett objekt är noll, tillåter elektriska fält att laddningar fördelas på olika sätt inuti objekt. Om det finns laddningsfördelningar inom dem som resulterar i en nettoladdning som inte är noll, är dessa objekt polariserad, och den laddning som dessa polarisationer orsakar är känd som bundna avgifter.

Även om forskare inte alla är överens om universums totala laddning, har de gjort utbildade gissningar och testat hypoteser genom olika metoder. Du kan observera att tyngdkraften är den dominerande kraften i universum på kosmologisk skala, och eftersom den elektromagnetiska kraften är mycket starkare än gravitationskraften, om universum hade en nettoladdning (antingen positiv eller negativ), skulle du kunna se bevis på det vid så stora avstånd. Frånvaron av detta bevis har fått forskare att tro att universum är laddningsneutralt.

Huruvida universum alltid har varit laddningsneutralt eller hur laddningen av universum har förändrats sedan Big Bang är också frågor som kan diskuteras. Om universum hade en nettoladdning, skulle forskare kunna mäta deras tendenser och effekter på alla elektriska fältlinjer på ett sådant sätt att de istället för att ansluta från positiva laddningar till negativa laddningar slutar aldrig. Frånvaron av denna observation pekar också på argumentet att universum inte har någon nettoladdning.

•••Syed Hussain Ather

De elflöde genom ett plant (dvs. plant) område A av ett elektriskt fält E är fältet multiplicerat med komponenten i området vinkelrätt mot fältet. För att få denna vinkelräta komponent använder du cosinus för vinkeln mellan fältet och intresseplanet i formeln för flöde, representerad av Φ = EA cos (θ), var θ är vinkeln mellan linjen vinkelrätt mot området och riktningen för det elektriska fältet.

Denna ekvation, känd som Gauss lag, säger också att för ytor som dessa, som du kallar Gaussiska ytorskulle vilken nettoladdning som helst ligga på dess yta av planet eftersom det skulle vara nödvändigt att skapa det elektriska fältet.

Eftersom detta beror på geometrin för ytan som används vid beräkning av flöde varierar det beroende på formen. För ett cirkulärt område, flödesområdet A skulle vara π_r_² med r som cirkelns radie eller för en cylinders böjda yta, skulle flödesområdet vara Ch i vilken C är omkretsen av den cirkulära cylinderytan och h är cylinderns höjd.

Statisk elektricitet uppstår när två objekt inte är i elektrisk jämvikt (eller elektrostatisk jämvikt), eller, att det finns ett nettoflöde av laddningar från ett objekt till ett annat. När material gnuggar mot varandra överför de avgifter mellan varandra. Att gnugga strumpor på en matta eller gummit i en uppblåst ballong i håret kan generera dessa former av elektricitet. Chocken överför dessa överskottsavgifter för att återupprätta ett jämviktsläge.

För en dirigent (ett material som överför elektricitet) i elektrostatisk jämvikt, det elektriska fältet inuti är noll och nettoladdningen på dess yta måste förbli vid elektrostatisk jämvikt. Detta beror på att, om det fanns ett fält, skulle elektronerna i ledaren omfördela eller justera sig själva som svar på fältet. På detta sätt skulle de avbryta alla fält i det ögonblick det skulle skapas.

Aluminium och koppartråd är vanliga ledningsmaterial som används för att överföra strömmar och jonledare används ofta, vilket är lösningar som använder fritt flytande joner för att låta laddningen flöda igenom lätt. Halvledare, som chips som låter datorer fungera, använder också elektroner som cirkulerar fritt, men inte lika många som ledare gör. Halvledare som kisel och germanium kräver också mer energi för att låta laddningar cirkulera och har i allmänhet låga ledningsförmåga. Däremot isolatorer som trä låter inte laddning flyta lätt genom dem.

Med inget fält inuti, för en Gaussisk yta som ligger precis innanför ledarens yta, måste fältet vara noll överallt så att flödet är noll. Det betyder att det inte finns någon elektrisk laddning inuti ledaren. Från detta kan du dra slutsatsen att laddningen för symmetriska geometriska strukturer såsom sfärer fördelar sig enhetligt på ytan av den Gaussiska ytan.

Eftersom nätladdningen på en yta måste förbli i elektrostatisk jämvikt måste varje elektriskt fält vara vinkelrätt mot en ledares yta för att tillåta materialet att överföra laddningar. Med Gauss lag kan du beräkna storleken på detta elektriska fält och flöde för ledaren. Det elektriska fältet inuti en ledare måste vara noll och utanför måste det vara vinkelrätt mot ytan.

Detta betyder att för en cylindrisk ledare med fält som strålar ut från väggarna i en vinkelrät vinkel är det totala flödet helt enkelt 2_E__πr_² för ett elektriskt fält E och r radie av den cylindriska ledarens cirkulära yta. Du kan också beskriva nettoladdningen på ytan med σ, den laddningstäthet per ytenhet multiplicerat med området.