วิธีการคำนวณค่าไฟฟ้า

ไม่ว่าจะเป็นไฟฟ้าสถิตย์ที่ปล่อยออกมาจากเสื้อโค้ทขนยาวหรือกระแสไฟฟ้าที่จ่ายไฟให้กับโทรทัศน์ คุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับประจุไฟฟ้าได้โดยทำความเข้าใจฟิสิกส์พื้นฐาน วิธีการคำนวณประจุขึ้นอยู่กับธรรมชาติของไฟฟ้าเอง เช่น หลักการที่ว่าประจุจะกระจายตัวมันเองผ่านวัตถุ หลักการเหล่านี้เหมือนกันไม่ว่าคุณจะอยู่ที่ใดในจักรวาล ทำให้ประจุไฟฟ้าเป็นคุณสมบัติพื้นฐานของวิทยาศาสตร์

มีหลายวิธีในการคำนวณ ค่าไฟฟ้า สำหรับบริบทต่างๆ ในวิชาฟิสิกส์และวิศวกรรมไฟฟ้า

กฎของคูลอมบ์ โดยทั่วไปจะใช้ในการคำนวณแรงที่เกิดจากอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า และเป็นหนึ่งในสมการประจุไฟฟ้าทั่วไปที่คุณจะใช้ อิเล็กตรอนมีประจุแต่ละตัวเท่ากับ −1.602 × 10^-19 คูลอมบ์ (C) และโปรตอนมีจำนวนเท่ากัน แต่ในทิศทางบวก 1.602 × 10 ⁻¹⁹ ค. สำหรับสองค่าใช้จ่าย q₁ และ q₂_ที่ห่างกันไป _r,คุณสามารถคำนวณแรงไฟฟ้า F_อี สร้างขึ้นโดยใช้กฎของคูลอมบ์:

ซึ่งใน k เป็นค่าคงที่ k = 9.0 × 10 ⁹ นม² / ค². นักฟิสิกส์และวิศวกรบางครั้งใช้ตัวแปร อี เพื่ออ้างถึงประจุของอิเล็กตรอน

โปรดทราบว่าสำหรับประจุที่มีเครื่องหมายตรงข้าม (บวกและลบ) แรงจะเป็นลบ ดังนั้นจึงน่าสนใจระหว่างประจุทั้งสอง สำหรับประจุสองประจุที่มีเครื่องหมายเดียวกัน (บวกและบวกหรือลบและลบ) แรงนั้นน่ารังเกียจ ยิ่งประจุมีมากเท่าใด แรงดึงดูดหรือแรงผลักก็จะยิ่งแข็งแกร่งระหว่างกัน

กฎของคูลอมบ์มีความคล้ายคลึงอย่างมากกับกฎของนิวตันสำหรับแรงโน้มถ่วง F_{จี ​} = G m₁ม₂ / r² สำหรับแรงโน้มถ่วง F_จี, ฝูง ม₁และ ม₂และค่าคงที่โน้มถ่วง จี = 6.674 × 10 ⁻¹¹ ม³/ กก. s². ทั้งสองวัดแรงที่แตกต่างกัน แปรผันตามมวลหรือประจุที่มากกว่า และขึ้นอยู่กับรัศมีระหว่างวัตถุทั้งสองถึงกำลังสอง แม้จะมีความคล้ายคลึงกัน แต่สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าแรงโน้มถ่วงมักจะดึงดูดใจเสมอ ในขณะที่แรงไฟฟ้าสามารถดึงดูดหรือน่ารังเกียจได้

คุณควรสังเกตด้วยว่าโดยทั่วไปแล้วแรงไฟฟ้าจะแรงกว่าแรงโน้มถ่วงมาก โดยพิจารณาจากความแตกต่างของกำลังเลขชี้กำลังของค่าคงที่ของกฎ ความคล้ายคลึงกันระหว่างกฎทั้งสองนี้บ่งบอกถึงความสมมาตรและรูปแบบที่มากขึ้นในหมู่กฎทั่วไปของจักรวาล

หากระบบยังคงโดดเดี่ยว (เช่น ไม่มีการติดต่อกับสิ่งอื่นนอกระบบ) ระบบจะประหยัดค่าใช้จ่าย การอนุรักษ์ค่าใช้จ่าย หมายความว่าจำนวนประจุไฟฟ้าทั้งหมด (ประจุบวกลบประจุลบ) ยังคงเท่าเดิมสำหรับระบบ การอนุรักษ์ประจุช่วยให้นักฟิสิกส์และวิศวกรคำนวณว่าประจุเคลื่อนที่ระหว่างระบบและสภาพแวดล้อมเท่าใด

หลักการนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรสร้างกรงฟาราเดย์ที่ใช้โล่โลหะหรือการเคลือบเพื่อป้องกันไม่ให้ประจุหลุดออกมา กรงฟาราเดย์หรือโล่ฟาราเดย์ใช้แนวโน้มของสนามไฟฟ้าในการกระจายประจุใหม่ภายใน วัสดุเพื่อยกเลิกผลกระทบของสนามและป้องกันไม่ให้ค่าใช้จ่ายทำอันตรายหรือเข้าสู่ ภายใน ใช้ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น เครื่องถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก เพื่อป้องกันข้อมูลจาก data ถูกบิดเบี้ยวและสวมอุปกรณ์ป้องกันสำหรับช่างไฟฟ้าและ Linemen ที่ทำงานอยู่ในอันตราย สภาพแวดล้อม

คุณสามารถคำนวณการไหลของประจุสุทธิสำหรับปริมาตรของพื้นที่โดยการคำนวณจำนวนรวมของประจุที่เข้าและลบจำนวนประจุทั้งหมดที่เหลือ ผ่านอิเล็กตรอนและโปรตอนที่มีประจุ อนุภาคที่มีประจุสามารถสร้างขึ้นหรือทำลายเพื่อให้สมดุลกันตามการอนุรักษ์ประจุ

รู้ว่าประจุของอิเล็กตรอนคือ −1.602 × 10 ⁻¹⁹ C ประจุ −8 × 10 ⁻¹⁸ C จะประกอบด้วย 50 อิเล็กตรอน คุณสามารถหาสิ่งนี้ได้โดยการหารจำนวนประจุไฟฟ้าด้วยขนาดของประจุของอิเล็กตรอนตัวเดียว

ถ้าคุณรู้จัก กระแสไฟฟ้า, การไหลของประจุไฟฟ้าผ่านวัตถุ, เดินทางผ่านวงจร และระยะเวลาที่ใช้กระแส สามารถคำนวณประจุไฟฟ้าโดยใช้สมการของกระแสได้ คิว = มัน ซึ่งใน คิว คือประจุทั้งหมดที่วัดเป็นคูลอมบ์ ผม เป็นกระแสในแอมป์และ t เป็นเวลาที่ใช้กระแสเป็นวินาที คุณสามารถใช้กฎของโอห์ม (วี = IR) เพื่อคำนวณกระแสจากแรงดันและความต้านทาน

สำหรับวงจรที่มีแรงดันไฟ 3 V และความต้านทาน 5 Ω ที่ใช้เป็นเวลา 10 วินาที กระแสที่สอดคล้องกันที่ให้ผลลัพธ์คือ ผม = วี / R = 3 V / 5 Ω = 0.6 A และประจุทั้งหมดจะเป็น Q = มัน = 0.6 A × 10 s = 6 C.

หากคุณทราบความต่างศักย์ (วี) เป็นโวลต์ที่ใช้ในวงจรและงาน (W) เป็นจูลที่กระทำในช่วงเวลาที่ใช้ ประจุเป็นคูลอมบ์ คิว = W / วี.

•••Syed Hussain Ather A

สนามไฟฟ้า, แรงไฟฟ้าต่อหน่วยประจุ แผ่ออกไปในแนวรัศมีจากประจุบวกไปสู่ประจุลบ และสามารถคำนวณได้ด้วย อี = F_อี / q, ซึ่งใน F_อี คือ แรงไฟฟ้า และ q คือประจุที่สร้างสนามไฟฟ้า เมื่อพิจารณาว่าสนามและแรงพื้นฐานในการคำนวณไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นอย่างไร ประจุไฟฟ้าอาจ ถูกกำหนดให้เป็นคุณสมบัติของสสารที่ทำให้อนุภาคมีแรงต่อหน้าไฟฟ้า สนาม

แม้ว่าประจุสุทธิหรือยอดรวมบนวัตถุจะเป็นศูนย์ สนามไฟฟ้าก็ยอมให้ประจุกระจายไปในลักษณะต่างๆ ภายในวัตถุ หากมีการแจกแจงประจุภายในซึ่งส่งผลให้มีประจุสุทธิไม่เป็นศูนย์ ออบเจ็กต์เหล่านี้คือ โพลาไรซ์และประจุที่ทำให้เกิดโพลาไรเซชันเหล่านี้เรียกว่า ภาระผูกพัน.

แม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะไม่เห็นด้วยทั้งหมดว่าประจุทั้งหมดของจักรวาลคืออะไร แต่พวกเขาก็ได้คาดเดาอย่างมีการศึกษาและทดสอบสมมติฐานด้วยวิธีการต่างๆ คุณอาจสังเกตว่าแรงโน้มถ่วงเป็นแรงหลักในจักรวาลในระดับจักรวาลวิทยา และเนื่องจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้านั้นแรงกว่ามาก มากกว่าแรงโน้มถ่วง ถ้าจักรวาลมีประจุสุทธิ (เป็นบวกหรือลบ) คุณก็จะสามารถเห็นหลักฐานของมันในขนาดมหึมา ระยะทาง การไม่มีหลักฐานนี้ทำให้นักวิจัยเชื่อว่าจักรวาลมีประจุเป็นกลาง

ไม่ว่าจักรวาลจะมีประจุเป็นกลางหรือประจุของจักรวาลเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรตั้งแต่บิ๊กแบงก็เป็นคำถามที่ยังต้องถกเถียงกัน ถ้าจักรวาลมีประจุสุทธิ นักวิทยาศาสตร์ควรจะสามารถวัดแนวโน้มและผลกระทบต่อทั้งหมดได้ เส้นสนามไฟฟ้าในลักษณะที่แทนที่จะเชื่อมต่อจากประจุบวกกับประจุลบ พวกมันจะ ไม่เคยจบ. การไม่มีข้อสังเกตนี้ยังชี้ให้เห็นถึงการโต้แย้งว่าจักรวาลไม่มีประจุสุทธิ

•••Syed Hussain Ather A

ฟลักซ์ไฟฟ้า ผ่านระนาบ (เช่น แบน) พื้นที่ อา ของสนามไฟฟ้า อี คือสนามคูณด้วยองค์ประกอบของพื้นที่ตั้งฉากกับสนาม เพื่อให้ได้องค์ประกอบตั้งฉากนี้ คุณต้องใช้โคไซน์ของมุมระหว่างสนามกับระนาบที่สนใจในสูตรของฟลักซ์ซึ่งแสดงโดย Φ = EA คอส (θ)ที่ไหน θ คือมุมระหว่างเส้นตั้งฉากกับพื้นที่และทิศทางของสนามไฟฟ้า

สมการนี้เรียกว่า กฎของเกาส์ยังบอกคุณด้วยว่าสำหรับพื้นผิวแบบนี้ที่คุณเรียกว่า พื้นผิวเกาส์เซียนประจุสุทธิใด ๆ จะอยู่ที่พื้นผิวของเครื่องบินเพราะจำเป็นต้องสร้างสนามไฟฟ้า

เนื่องจากสิ่งนี้ขึ้นอยู่กับเรขาคณิตของพื้นที่ของพื้นผิวที่ใช้ในการคำนวณฟลักซ์ มันจึงแตกต่างกันไปตามรูปร่าง สำหรับพื้นที่วงกลม พื้นที่ฟลักซ์ อา จะเป็น π_r_² กับ r เป็นรัศมีของวงกลมหรือสำหรับพื้นผิวโค้งของทรงกระบอก พื้นที่ฟลักซ์จะเป็น ช ซึ่งใน ค คือ เส้นรอบวงของหน้าทรงกระบอกกลมและ ห่า คือความสูงของกระบอกสูบ

ไฟฟ้าสถิต เกิดขึ้นเมื่อวัตถุสองชิ้นไม่อยู่ในสมดุลไฟฟ้า (หรือ สมดุลไฟฟ้าสถิต) หรือว่ามีกระแสประจุสุทธิจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง เมื่อวัสดุถูกันพวกเขาจะโอนค่าใช้จ่ายระหว่างกัน การถูถุงเท้าบนพรมหรือยางของลูกโป่งที่เป่าลมบนเส้นผมของคุณ สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าในรูปแบบเหล่านี้ได้ แรงกระแทกจะถ่ายโอนประจุส่วนเกินเหล่านี้กลับคืนมาเพื่อสร้างสภาวะสมดุลอีกครั้ง

สำหรับ ตัวนำ (วัสดุที่ส่งกระแสไฟฟ้า) ในสภาวะสมดุลไฟฟ้าสถิต สนามไฟฟ้าภายในเป็นศูนย์ และประจุสุทธิบนพื้นผิวจะต้องคงอยู่ที่สมดุลไฟฟ้าสถิต นี่เป็นเพราะว่าถ้ามีสนาม อิเล็กตรอนในตัวนำจะกระจายตัวหรือจัดตำแหน่งใหม่เพื่อตอบสนองต่อสนาม ด้วยวิธีนี้ พวกเขาจะยกเลิกฟิลด์ใด ๆ ทันทีที่สร้างขึ้น

ลวดอลูมิเนียมและทองแดงเป็นวัสดุตัวนำทั่วไปที่ใช้ในการส่งกระแสและตัวนำอิออน มักใช้ซึ่งเป็นสารละลายที่ใช้ไอออนที่ลอยได้อย่างอิสระเพื่อให้ประจุไหลผ่าน ได้อย่างง่ายดาย สารกึ่งตัวนำเช่น ชิปที่อนุญาตให้คอมพิวเตอร์ทำงาน ใช้อิเล็กตรอนที่ไหลเวียนอย่างอิสระเช่นกัน แต่ไม่มากเท่ากับตัวนำ สารกึ่งตัวนำเช่นซิลิกอนและเจอร์เมเนียมยังต้องการพลังงานมากขึ้นเพื่อให้ประจุหมุนเวียนและโดยทั่วไปมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ ตรงกันข้าม, ฉนวน เช่นไม้ไม่ให้ประจุไหลผ่านได้ง่าย

เมื่อไม่มีสนามอยู่ภายใน สำหรับพื้นผิวเกาส์เซียนที่อยู่ภายในพื้นผิวของตัวนำ สนามจะต้องเป็นศูนย์ทุกที่เพื่อให้ฟลักซ์เป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าไม่มีประจุไฟฟ้าสุทธิภายในตัวนำ จากนี้ คุณสามารถอนุมานได้ว่า สำหรับโครงสร้างเรขาคณิตสมมาตร เช่น ทรงกลม ประจุจะกระจายตัวมันเองอย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิวของพื้นผิวเกาส์เซียน

เนื่องจากประจุสุทธิบนพื้นผิวต้องคงอยู่ในสภาวะสมดุลไฟฟ้าสถิต สนามไฟฟ้าใดๆ ต้องตั้งฉากกับพื้นผิวของตัวนำเพื่อให้วัสดุส่งประจุได้ กฎของเกาส์ให้คุณคำนวณขนาดของสนามไฟฟ้าและฟลักซ์ของตัวนำ สนามไฟฟ้าภายในตัวนำต้องเป็นศูนย์ และภายนอกจะต้องตั้งฉากกับพื้นผิว

ซึ่งหมายความว่า สำหรับตัวนำทรงกระบอกที่มีสนามแผ่ออกมาจากผนังเป็นมุมตั้งฉาก ฟลักซ์ทั้งหมดเป็นเพียง 2_E__πr_² สำหรับสนามไฟฟ้า อี และ r รัศมีของหน้าวงกลมของตัวนำทรงกระบอก คุณยังสามารถอธิบายประจุสุทธิบนพื้นผิวโดยใช้ σ, ที่ ความหนาแน่นของประจุ ต่อหน่วยพื้นที่ คูณด้วยพื้นที่