Elektrik Yükü Nasıl Hesaplanır

Tüylü bir manto tarafından yayılan statik elektrik veya televizyon setlerine güç veren elektrik olsun, temel fiziği anlayarak elektrik yükü hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz. Yükü hesaplama yöntemleri, yükün kendisini nesneler aracılığıyla nasıl dağıttığına ilişkin ilkeler gibi elektriğin doğasına bağlıdır. Bu ilkeler, evrenin neresinde olursanız olun aynıdır ve elektrik yükünü bilimin kendisinin temel bir özelliği haline getirir.

hesaplamanın birçok yolu var elektrik şarjı fizik ve elektrik mühendisliğinde çeşitli bağlamlar için.

Coulomb yasası genellikle elektrik yükü taşıyan parçacıklardan kaynaklanan kuvveti hesaplarken kullanılır ve kullanacağınız en yaygın elektrik yükü denklemlerinden biridir. Elektronlar −1.602 × 10'luk bireysel yükler taşır^-19 coulomb (C) ve protonlar aynı miktarı taşır, ancak pozitif yönde 1.602 × 10 ⁻¹⁹ C. İki ücret için q₁ ve q₂_bir mesafe ile ayrılmış olanlar _r, elektrik kuvvetini hesaplayabilirsiniz F_E Coulomb yasası kullanılarak oluşturulan:

hangisinde k bir sabittir k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Fizikçiler ve mühendisler bazen değişkeni kullanırlar. e bir elektronun yükünü ifade etmek için.

Zıt işaretli yükler (artı ve eksi) için kuvvetin negatif olduğuna ve bu nedenle iki yük arasında çekici olduğuna dikkat edin. Aynı işaretli iki yük (artı ve artı veya eksi ve eksi) için kuvvet iticidir. Yükler ne kadar büyükse, aralarındaki çekici veya itici güç o kadar güçlüdür.

Coulomb yasası, Newton'un yerçekimi kuvveti yasasına çarpıcı bir benzerlik taşıyor F_{G ​} = Gm₁m₂ / r² yerçekimi kuvveti için F_G, kitleler m₁ve m₂ve yerçekimi sabiti G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Her ikisi de farklı kuvvetleri ölçer, daha büyük kütle veya yük ile değişir ve her iki nesne arasındaki yarıçapa ikinci güce bağlıdır. Benzerliklere rağmen, elektrik kuvvetleri çekici veya itici olabilirken yerçekimi kuvvetlerinin her zaman çekici olduğunu hatırlamak önemlidir.

Ayrıca, yasaların sabitlerinin üstel gücündeki farklılıklara bağlı olarak, elektrik kuvvetinin genellikle yerçekiminden çok daha güçlü olduğuna dikkat etmelisiniz. Bu iki yasa arasındaki benzerlikler, evrenin ortak yasaları arasındaki simetri ve kalıpların daha büyük bir göstergesidir.

Bir sistem izole kalırsa (yani, dışındaki herhangi bir şeyle temas etmeden), şarjdan tasarruf edecektir. Yükün korunumu toplam elektrik yükünün (pozitif yük eksi negatif yük) sistem için aynı kaldığı anlamına gelir. Yükün korunumu, fizikçilerin ve mühendislerin sistemler ve çevreleri arasında ne kadar yük hareket ettiğini hesaplamasına olanak tanır.

Bu ilke, bilim insanlarının ve mühendislerin, yükün kaçmasını önlemek için metalik kalkanlar veya kaplama kullanan Faraday kafesleri oluşturmasını sağlar. Faraday kafesleri veya Faraday kalkanları, elektrik alanının yükleri yeniden dağıtma eğilimini kullanır. alanın etkisini ortadan kaldırmak ve yüklerin zarar görmesini veya içeri girmesini önlemek için malzeme iç. Bunlar, manyetik rezonans görüntüleme makineleri gibi tıbbi ekipmanlarda veri girişini önlemek için kullanılır. çarpık ve tehlikeli ortamlarda çalışan elektrikçiler ve çamaşırcılar için koruyucu giysiler içinde ortamlar.

Bir alan hacmi için net şarj akışını, giren toplam şarj miktarını hesaplayarak ve toplam ayrılan şarj miktarını çıkararak hesaplayabilirsiniz. Yük taşıyan elektronlar ve protonlar aracılığıyla, yük korunumuna göre kendilerini dengelemek için yüklü parçacıklar oluşturulabilir veya yok edilebilir.

Bir elektronun yükünün −1.602 × 10 olduğunu bilmek ⁻¹⁹ C, -8 × 10'luk bir yük ⁻¹⁸ C 50 elektrondan oluşur. Bunu, elektrik yükünün miktarını tek bir elektronun yükünün büyüklüğüne bölerek bulabilirsiniz.

eğer biliyorsan elektrik akımı, elektrik yükünün bir nesneden akışı, bir devre boyunca hareket etmesi ve akımın ne kadar süreyle uygulandığı, akım denklemini kullanarak elektrik yükünü hesaplayabilirsiniz. S = O hangisinde S Coulomb cinsinden ölçülen toplam yük, ben amper cinsinden akımdır ve t akımın saniye cinsinden uygulanma zamanıdır. Ohm yasasını da kullanabilirsiniz (V = kızılötesi) gerilim ve dirençten akımı hesaplamak için.

10 saniye boyunca uygulanan 3 V gerilimli ve 5 Ω dirençli bir devre için, elde edilen karşılık gelen akım şudur: ben = V / $ = 3 V / 5 Ω = 0,6 A ve toplam yük S = O = 0,6 A × 10 s = 6 C

Potansiyel farkı biliyorsanız (V) bir devrede uygulanan volt ve yapılan iş (W) Uygulandığı süre boyunca yapılan joule cinsinden, Coulomb cinsinden ücret, S = W / V.

•••Seyit Hüseyin Ather

Elektrik alanı, birim yük başına elektrik kuvveti, pozitif yüklerden negatif yüklere doğru radyal olarak yayılır ve şu şekilde hesaplanabilir: E = F_E / q, hangi F_E elektrik kuvvetidir ve q elektrik alanını oluşturan yüktür. Elektrik ve manyetizma hesaplamalarında alan ve kuvvetin ne kadar temel olduğu göz önüne alındığında, elektrik yükü bir elektrik akımının varlığında bir parçacığın bir kuvvete sahip olmasına neden olan maddenin özelliği olarak tanımlanabilir. alan.

Bir nesne üzerindeki net veya toplam yük sıfır olsa bile, elektrik alanları yüklerin nesneler içinde çeşitli şekillerde dağılmasına izin verir. İçlerinde sıfır olmayan bir net ücretle sonuçlanan yük dağılımları varsa, bu nesneler polarizeve bu kutuplaşmaların neden olduğu yük olarak bilinir bağlı ücretler.

Bilim adamları, evrenin toplam yükünün ne olduğu konusunda hemfikir olmasalar da, çeşitli yöntemlerle eğitimli tahminler yaptılar ve hipotezleri test ettiler. Kozmolojik ölçekte evrendeki baskın kuvvetin yerçekimi olduğunu ve elektromanyetik kuvvetin çok daha güçlü olduğunu gözlemleyebilirsiniz. yerçekimi kuvvetinden daha fazla, eğer evrenin net bir yükü varsa (pozitif veya negatif), o zaman bunun kanıtını çok büyük bir oranda görebileceksiniz. mesafeler. Bu kanıtın yokluğu, araştırmacıları evrenin yüksüz olduğuna inandırdı.

Evrenin her zaman nötr olup olmadığı veya büyük patlamadan bu yana evrenin yükünün nasıl değiştiği de tartışmaya açık sorulardır. Evrenin net bir yükü varsa, bilim adamları eğilimlerini ve tüm evren üzerindeki etkilerini ölçebilmelidir. elektrik alan çizgileri, pozitif yüklerden negatif yüklere bağlanmak yerine, hiç bitmeyecek. Bu gözlemin olmaması, evrenin net yükünün olmadığı argümanına da işaret ediyor.

•••Seyit Hüseyin Ather

elektrik akımı düzlemsel (yani düz) bir alan aracılığıyla bir bir elektrik alanının E alana dik alanın bileşeni ile çarpılan alandır. Bu dik bileşeni elde etmek için, akı formülündeki alan ile ilgilenilen düzlem arasındaki açının kosinüsünü kullanırsınız. Φ = EA çünkü(θ), nerede θ alana dik olan doğru ile elektrik alanın yönü arasındaki açıdır.

olarak bilinen bu denklem Gauss Yasası, ayrıca size şunu söyler, sizin bu gibi yüzeyler olarak adlandırdığınız yüzeyler için Gauss yüzeyleri, herhangi bir net yük, elektrik alanı yaratmak için gerekli olacağından, düzlemin yüzeyinde kalacaktı.

Bu, akı hesabında kullanılan yüzey alanının geometrisine bağlı olduğundan, şekle bağlı olarak değişir. Dairesel bir alan için, akı alanı bir π_r_ olur² ile r dairenin yarıçapı olarak veya bir silindirin kavisli yüzeyi için akı alanı Ch hangisinde C dairesel silindir yüzünün çevresi ve h silindirin yüksekliğidir.

Statik elektrik iki nesne elektriksel dengede olmadığında ortaya çıkar (veya elektrostatik denge) veya bir nesneden diğerine net bir yük akışı olduğunu. Malzemeler birbirine sürtündükçe, aralarında yük transferi yaparlar. Çorapları bir halıya veya şişirilmiş bir balonun kauçuğuna saçınıza sürtmek bu elektrik biçimlerini üretebilir. Şok, bir denge durumunu yeniden kurmak için bu fazla yükleri geri aktarır.

için orkestra şefi (elektrik ileten bir malzeme) elektrostatik dengede, içerideki elektrik alan sıfırdır ve yüzeyindeki net yük elektrostatik dengede kalmalıdır. Bunun nedeni, eğer bir alan varsa, iletkendeki elektronların alana tepki olarak kendilerini yeniden dağıtacak veya yeniden hizalayacak olmasıdır. Bu şekilde, oluşturulduğu anda herhangi bir alanı iptal edeceklerdi.

Alüminyum ve bakır tel, akımları iletmek için kullanılan yaygın iletken malzemelerdir ve iyonik iletkenler ayrıca, yükün akmasına izin vermek için serbestçe yüzen iyonları kullanan çözümler olan sıklıkla kullanılır. kolayca. yarı iletkenlerBilgisayarların çalışmasına izin veren çipler gibi, serbestçe dolaşan elektronları da kullanır, ancak iletkenler kadar değil. Silisyum ve germanyum gibi yarı iletkenler de yüklerin dolaşmasına izin vermek için daha fazla enerji gerektirir ve genellikle düşük iletkenliğe sahiptir. Buna karşılık, izolatörler ahşap gibi, yükün içinden kolayca geçmesine izin vermez.

İçeride alan yokken, iletken yüzeyinin hemen içinde yer alan bir Gauss yüzeyi için, akı sıfır olacak şekilde alan her yerde sıfır olmalıdır. Bu, iletkenin içinde net elektrik yükü olmadığı anlamına gelir. Bundan, küreler gibi simetrik geometrik yapılar için, yükün Gauss yüzeyinin yüzeyinde eşit olarak dağıldığını çıkarabilirsiniz.

Bir yüzeydeki net yükün elektrostatik dengede kalması gerektiğinden, malzemenin yükleri iletmesine izin vermek için herhangi bir elektrik alanı bir iletkenin yüzeyine dik olmalıdır. Gauss yasası, iletken için bu elektrik alanının ve akısının büyüklüğünü hesaplamanıza izin verir. Bir iletkenin içindeki elektrik alan sıfır olmalı ve dışarıda yüzeye dik olmalıdır.

Bu, duvarlardan dik bir açıyla yayılan alana sahip silindirik bir iletken için toplam akı basitçe 2_E__πr_² bir elektrik alanı için E ve r silindirik iletkenin dairesel yüzünün yarıçapı. Ayrıca yüzeydeki net yükü kullanarak da tanımlayabilirsiniz. σ, yük yoğunluğu birim alan başına, alan ile çarpılır.