Як розрахувати електричний заряд

Будь то статична електрика, яку видає хутряне пальто, або електрика, яка живить телевізори, ви можете дізнатися більше про електричний заряд, зрозумівши основну фізику. Методи розрахунку заряду залежать від природи самої електрики, таких як принципи того, як заряд розподіляється по об'єктах. Ці принципи однакові незалежно від того, де ви знаходитесь у Всесвіті, роблячи електричний заряд фундаментальною властивістю самої науки.

Існує багато способів обчислення електричний заряд для різних контекстів у фізиці та електротехніці.

Закон Кулона зазвичай використовується при розрахунку сили, що виникає від частинок, що несуть електричний заряд, і є одним із найпоширеніших рівнянь електричного заряду, яке ви будете використовувати. Електрони мають окремі заряди -1602 × 10^-19 кулони (С) і протони несуть однакову кількість, але в позитивному напрямку, 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. За два звинувачення q₁ і q₂_ які розділені відстанню _r, можна розрахувати електричну силу F_Е породжених за допомогою закону Кулона:

в якій k є константою k = 9.0 × 10 ⁹ Нм² / C². Фізики та інженери іноді використовують змінну e для позначення заряду електрона.

Зверніть увагу, що для зарядів протилежних знаків (плюс і мінус) сила від’ємна і, отже, приваблива між двома зарядами. Для двох зарядів одного знака (плюс і плюс або мінус і мінус) сила відштовхує. Чим більші заряди, тим сильніша сила притягання чи відштовхування між ними.

Закон Кулона має вражаючу схожість із законом Ньютона щодо сили тяжіння F_{G ​} = G m₁м₂ / р² для сили тяжіння F_G, мас м₁і м₂, і гравітаційна стала G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ м³/ кг с². Вони обидва вимірюють різні сили, змінюються залежно від більшої маси або заряду і залежать від радіуса між обома об’єктами до другої потужності. Незважаючи на подібність, важливо пам’ятати, що сили тяжіння завжди привабливі, тоді як електричні сили можуть бути привабливими або відразливими.

Слід також зазначити, що електрична сила, як правило, набагато сильніша, ніж сила тяжіння, заснована на різниці в експоненціальній потужності констант законів. Подібність між цими двома законами є кращим свідченням симетрії та закономірностей серед загальних законів Всесвіту.

Якщо система залишається ізольованою (тобто не контактуючи ні з чим іншим поза нею), вона збереже заряд. Збереження заряду означає, що загальна кількість електричного заряду (позитивний заряд мінус негативний заряд) залишається незмінною для системи. Збереження заряду дозволяє фізикам та інженерам підрахувати, скільки заряду рухається між системами та їх оточенням.

Цей принцип дозволяє вченим та інженерам створювати клітини Фарадея, які використовують металеві щити або покриття, щоб запобігти виходу заряду. Клітини Фарадея або щити Фарадея використовують тенденцію електричного поля до перерозподілу зарядів всередині матеріал для скасування ефекту поля та запобігання заподіянню шкоди або потраплянню до них інтер'єр. Вони використовуються в медичному обладнанні, такому як апарати для магнітно-резонансної томографії, для запобігання передачі даних в спотвореному вигляді та в захисному спорядженні для електриків та лінійних працівників, що працюють у небезпечних місцях середовищах.

Ви можете розрахувати чистий потік заряду для об'єму простору, обчисливши загальну кількість заряду, що надходить, і віднявши загальну кількість заряду, що залишається. Завдяки електронам і протонам, що несуть заряд, заряджені частинки можуть створюватися або руйнуватися, щоб збалансувати себе відповідно до збереження заряду.

Знаючи, що заряд електрона дорівнює -1602 × 10 ⁻¹⁹ С, заряд −8 × 10 ⁻¹⁸ С складається з 50 електронів. Це можна знайти, розділивши величину електричного заряду на величину заряду окремого електрона.

Якщо ви знаєте електричний струм, потік електричного заряду через об'єкт, що проходить через ланцюг, і скільки часу подається струм, можна розрахувати електричний заряд, використовуючи рівняння для струму Питання = Це в якій Питання - загальний заряд, виміряний в кулонах, Я - струм в амперах, і т - це час застосування сили струму в секундах. Ви також можете скористатися законом Ома (V = ІЧ) для розрахунку струму за напругою та опором.

Для ланцюга з напругою 3 В і опором 5 Ом, який подається протягом 10 секунд, відповідний струм, який є результатом, становить Я = V / Р = 3 В / 5 Ом = 0,6 А, і загальний заряд буде Q = Це = 0,6 А × 10 с = 6 С.

Якщо ви знаєте різницю потенціалів (V) у вольтах, що подаються в ланцюг, і робота (W) в джоулях, зроблених за період, коли він застосовується, заряд в кулонах, Питання = W / V.

•••Саєд Хуссейн Атер

Електричне поле, електрична сила на одиницю заряду, поширюється радіально назовні від позитивних зарядів у бік негативних зарядів і може бути обчислена за допомогою Е = F_Е / q, в якій F_Е - електрична сила і q - заряд, який створює електричне поле. Враховуючи, наскільки поле і сила є основними для розрахунків в електриці та магнетизмі, електричний заряд може визначатись як властивість речовини, що змушує частинку мати силу в присутності електрики поле.

Навіть якщо чистий або загальний заряд на об'єкті дорівнює нулю, електричні поля дозволяють розподіляти заряди різними способами всередині об'єктів. Якщо в них є розподіли зарядів, що призводять до ненульового чистого заряду, ці об’єкти є поляризований, а заряд, який викликають ці поляризації, відомий як пов'язані заряди.

Хоча вчені не всі сходяться в тому, яким є загальний заряд Всесвіту, вони зробили освічені здогади і перевірили гіпотези різними методами. Ви можете помітити, що сила тяжіння є домінуючою силою у Всесвіті в космологічному масштабі, і, оскільки електромагнітна сила набагато сильніша ніж гравітаційна сила, якби у Всесвіті був чистий заряд (позитивний чи негативний), то ви змогли б побачити докази цього на такій величезній відстані. Відсутність цих доказів змусило дослідників вважати, що Всесвіт є нейтральним до заряду.

Чи завжди Всесвіт завжди був нейтральним до заряду, чи як змінювався заряд Всесвіту після Великого вибуху - це також питання, про які слід дискутувати. Якби у Всесвіті був чистий заряд, то вчені мали б можливість виміряти їх тенденції та вплив на всіх лінії електричного поля таким чином, що замість того, щоб з’єднувати від позитивних зарядів до негативних зарядів, вони б це зробили ніколи не закінчується. Відсутність цього спостереження також вказує на аргумент, що у Всесвіті немає чистого заряду.

•••Саєд Хуссейн Атер

електричний потік через площинну (тобто плоску) область A електричного поля Е - поле, помножене на складову площі, перпендикулярної до поля. Щоб отримати цю перпендикулярну складову, ви використовуєте косинус кута між полем та площиною, що нас цікавить, у формулі потоку, представлену Φ = EA cos (θ), де θ - кут між прямою, перпендикулярною площі, та напрямком електричного поля.

Це рівняння, відоме як Закон Гаусса, також повідомляє вам, що для таких поверхонь, які ви називаєте Гауссові поверхні, будь-який чистий заряд знаходився б на його поверхні площини, оскільки було б необхідно створити електричне поле.

Оскільки це залежить від геометрії площі поверхні, яка використовується для розрахунку потоку, вона змінюється залежно від форми. Для кругової області - площа потоку A буде π_r_² з р як радіус кола або для криволінійної поверхні циліндра площа потоку буде Гл в якій C. - окружність кругової грані циліндра і h - висота циліндра.

Статична електрика виникає, коли два об'єкти не знаходяться в електричній рівновазі (або електростатична рівновага), або, що існує чистий потік зарядів від одного об’єкта до іншого. Коли матеріали стираються один про одного, вони передають заряди між собою. Потирання шкарпеток на килимі або гуми надутої повітряної кулі на волоссі може спричинити такі форми електрики. Шок переносить ці надлишкові заряди назад, щоб відновити стан рівноваги.

Для провідник (матеріал, який передає електрику) в електростатичній рівновазі електричне поле всередині дорівнює нулю, а чистий заряд на його поверхні повинен залишатися в електростатичній рівновазі. Це пов’язано з тим, що якби існувало поле, електрони в провіднику перерозподілялись або вирівнювались у відповідь на поле. Таким чином, вони скасують будь-яке поле в той момент, коли воно буде створене.

Алюмінієвий та мідний дріт є загальноприйнятими провідними матеріалами, що використовуються для передачі струмів, та іонними провідниками також часто використовуються, що є розчинами, які використовують вільно плаваючі іони, щоб пропускати заряд легко. Напівпровідники, такі як мікросхеми, що дозволяють комп’ютерам функціонувати, також використовують вільно циркулюючі електрони, але не так багато, як це роблять провідники. Напівпровідники, такі як кремній та германій, також потребують більше енергії, щоб заряди циркулювали і, як правило, мають низьку провідність. На відміну, ізолятори такі, як деревина, не дають легкому заряду протікати через них.

Без поля всередині, для гауссової поверхні, яка лежить безпосередньо всередині поверхні провідника, поле повинно бути скрізь нульовим, щоб потік був нульовим. Це означає, що всередині провідника немає чистого електричного заряду. З цього ви можете зробити висновок, що для симетричних геометричних структур, таких як сфери, заряд рівномірно розподіляється на поверхні гауссової поверхні.

Оскільки чистий заряд на поверхні повинен залишатися в електростатичній рівновазі, будь-яке електричне поле має бути перпендикулярним поверхні провідника, щоб матеріал міг передавати заряди. Закон Гаусса дозволяє розрахувати величину цього електричного поля і потоку для провідника. Електричне поле всередині провідника має бути нульовим, а зовні - перпендикулярним поверхні.

Це означає, що для циліндричного провідника з полем, що випромінює стінки під перпендикулярним кутом, загальний потік становить просто 2_E__πr_² для електричного поля Е і р радіус кругової грані циліндричного провідника. Ви також можете описати чистий заряд на поверхні за допомогою σ, щільність заряду на одиницю площі, помножений на площу.