Jak obliczyć ładunek elektryczny

Zawartość

• Formuła ładowania elektrycznego
• Ładunek elektryczny i grawitacja: podobieństwa
• Konserwacja ładunku elektrycznego
• Liczba elektronów w ładunku
• Obliczanie ładunku elektrycznego w obwodach
• Formuła pola elektrycznego
• Ładunek netto wszechświata
• Obliczanie strumienia elektrycznego z ładunkiem
• Ładunek i elektryczność statyczna
• Przewodniki elektryczne
• Prawo Gaussa w innych sytuacjach

Niezależnie od tego, czy jest elektrycznością statyczną wydzielaną przez futrzany płaszcz, czy elektrycznością zasilającą telewizory, możesz dowiedzieć się więcej o ładunku elektrycznym, rozumiejąc fizykę leżącą u jego podstaw. Metody obliczania ładunku zależą od natury samej elektryczności, takie jak zasady dystrybucji ładunku przez obiekty. Zasady te są takie same bez względu na to, gdzie jesteś we wszechświecie, czyniąc ładunek elektryczny podstawową właściwością samej nauki.

Formuła ładowania elektrycznego

Istnieje wiele sposobów obliczania ładunek elektryczny dla różnych wad w fizyce i elektrotechnice.

Prawo Coulomba jest zwykle używany do obliczania siły wynikającej z cząstek przenoszących ładunek elektryczny i jest jednym z najczęstszych równań ładunku elektrycznego, z których będziesz korzystać. Elektrony niosą indywidualne ładunki −1,602 × 10^-19 kulomb (C) i protony niosą tę samą ilość, ale w kierunku dodatnim 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. Za dwa ładunki q₁ i q₂ _, które są oddzielone odległością _r, możesz obliczyć siłę elektryczną fa_mi wygenerowane przy użyciu prawa Coulomba:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

w którym k jest stałą k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Fizycy i inżynierowie czasami używają zmiennej mi odnosić się do ładunku elektronu.

Zauważ, że dla ładunków o przeciwnych znakach (plus i minus) siła jest ujemna, a zatem atrakcyjna między dwoma ładunkami. W przypadku dwóch ładunków tego samego znaku (plus i plus lub minus i minus) siła jest odpychająca. Im większe są ładunki, tym silniejsza jest siła przyciągająca lub odpychająca między nimi.

Ładunek elektryczny i grawitacja: podobieństwa

Prawo Coulomba ma uderzające podobieństwo do prawa Newtona dla siły grawitacji fa_{sol ​} = G m₁m₂ / r² dla siły grawitacji fa_sol, masy m₁i m₂i stała grawitacyjna sol = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Oba mierzą różne siły, zmieniają się wraz z większą masą lub ładunkiem i zależą od promienia między dwoma obiektami do drugiej mocy. Pomimo podobieństw, ważne jest, aby pamiętać, że siły grawitacyjne są zawsze atrakcyjne, podczas gdy siły elektryczne mogą być atrakcyjne lub odpychające.

Należy również zauważyć, że siła elektryczna jest ogólnie znacznie silniejsza niż grawitacja w oparciu o różnice w potędze wykładniczej stałych praw. Podobieństwa między tymi dwoma prawami są większym wskaźnikiem symetrii i wzorców wśród wspólnych praw wszechświata.

Konserwacja ładunku elektrycznego

Jeśli system pozostanie izolowany (tj. Bez kontaktu z czymkolwiek poza nim), oszczędza ładunek. Ochrona opłat oznacza, że ​​całkowita ilość ładunku elektrycznego (ładunek dodatni minus ładunek ujemny) pozostaje taka sama dla systemu. Konserwacja ładunku pozwala fizykom i inżynierom obliczyć, ile ładunku porusza się między systemami a ich otoczeniem.

Ta zasada pozwala naukowcom i inżynierom tworzyć klatki Faradaya, które używają metalowych osłon lub powłok, aby zapobiec ucieczce ładunku. Klatki Faradaya lub tarcze Faradaya wykorzystują tendencję pól elektrycznych do ponownego rozłożenia ładunków w materiale, aby wyeliminować wpływ pola i zapobiec uszkodzeniu lub przedostaniu się ładunków do wnętrza. Są one stosowane w sprzęcie medycznym, takim jak maszyny do obrazowania rezonansem magnetycznym, aby zapobiec zniekształceniu danych, oraz w sprzęcie ochronnym dla elektryków i liniowców pracujących w niebezpiecznych warunkach.

Można obliczyć przepływ ładunku netto dla objętości przestrzeni, obliczając całkowitą ilość ładunku wprowadzanego i odejmując całkowitą ilość ładunku opuszczanego. Dzięki elektronom i protonom, które niosą ładunek, naładowane cząstki mogą być tworzone lub niszczone w celu zrównoważenia się zgodnie z zachowaniem ładunku.

Liczba elektronów w ładunku

Wiedząc, że ładunek elektronu wynosi -1602 × 10 ⁻¹⁹ C, ładunek -8 × 10 ⁻¹⁸ C składałby się z 50 elektronów. Można to znaleźć, dzieląc ilość ładunku elektrycznego przez wielkość ładunku pojedynczego elektronu.

Obliczanie ładunku elektrycznego w obwodach

Jeśli znasz prąd elektryczny, przepływ ładunku elektrycznego przez obiekt, podróżowanie po obwodzie i czas przyłożenia prądu, można obliczyć ładunek elektryczny za pomocą równania dla prądu Q = To w którym Q jest całkowitym ładunkiem mierzonym w kulombach, ja jest prądem we wzmacniaczach, i t to czas, w którym prąd jest przyłożony w sekundach. Możesz także użyć prawa Ohma (V. = IR) w celu obliczenia prądu z napięcia i rezystancji.

W przypadku obwodu o napięciu 3 V i rezystancji 5 Ω, który jest przyłożony przez 10 sekund, powstaje odpowiedni prąd ja = V. / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, a całkowity ładunek wyniósłby Q = It = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Jeśli znasz potencjalną różnicę (V.) w woltach przyłożonych do obwodu i pracy (W.) w dżulach wykonanych w okresie, w którym jest stosowany, opłata w kulombach, Q = W. / V..

Formuła pola elektrycznego

••• Syed Hussain Ather

Pole elektryczne, siła elektryczna na jednostkę ładunku, rozchodzi się promieniowo na zewnątrz od ładunków dodatnich w kierunku ładunków ujemnych i można ją obliczyć za pomocą mi = fa_mi / q, w którym fa_mi jest siłą elektryczną i q to ładunek wytwarzający pole elektryczne. Biorąc pod uwagę, jak fundamentalne pole i siła są do obliczeń w elektryczności i magnetyzmie, ładunek elektryczny można zdefiniować jako właściwość materii, która powoduje, że cząstka ma siłę w obecności pola elektrycznego.

Nawet jeśli ładunek netto lub całkowity na obiekcie wynosi zero, pola elektryczne pozwalają na rozkład ładunków na różne sposoby wewnątrz obiektów. Jeśli istnieją w nich rozkłady ładunków, które powodują niezerowe obciążenie netto, obiekty te są spolaryzowane, a ładunek, który powodują te polaryzacje, jest znany jako związane opłaty.

Ładunek netto wszechświata

Chociaż naukowcy nie są zgodni co do tego, jaki jest całkowity ładunek wszechświata, wysunęli wykształcone domysły i przetestowali hipotezy różnymi metodami. Możesz zaobserwować, że grawitacja jest dominującą siłą we wszechświecie w skali kosmologicznej, a ponieważ siła elektromagnetyczna jest znacznie silniejsza niż siła grawitacji, gdyby wszechświat miał ładunek netto (dodatni lub ujemny), byłbyś w stanie widzę tego dowód na tak dużych odległościach. Brak tych dowodów doprowadził badaczy do przekonania, że ​​wszechświat jest neutralny pod względem ładunku.

To, czy wszechświat zawsze był neutralny pod względem ładunku, lub jak ładunek wszechświata zmienił się od czasu Wielkiego Wybuchu, są również kwestiami do dyskusji. Gdyby wszechświat miał ładunek netto, naukowcy powinni być w stanie zmierzyć swoje tendencje i wpływ na wszystkie linie pola elektrycznego w taki sposób, że zamiast łączyć ładunki dodatnie z ładunkami ujemnymi, nigdy by się nie skończyli. Brak tej obserwacji wskazuje również na argument, że wszechświat nie ma ładunku netto.

Obliczanie strumienia elektrycznego z ładunkiem

••• Syed Hussain Ather

The Strumień elektryczny przez obszar płaski (tj. płaski) ZA pola elektrycznego mi jest polem pomnożonym przez składnik obszaru prostopadłego do pola. Aby uzyskać ten element prostopadły, użyj wzoru cosinus kąta między polem a płaszczyzną zainteresowania we wzorze na strumień, reprezentowanym przez Φ = EA sałata(θ), gdzie θ to kąt między linią prostopadłą do obszaru a kierunkiem pola elektrycznego.

To równanie, znane jako Prawo Gaussa, mówi również, że w przypadku powierzchni takich jak te, które nazywacie Powierzchnie Gaussa, każdy ładunek netto znajdowałby się na jego powierzchni samolotu, ponieważ konieczne byłoby wytworzenie pola elektrycznego.

Ponieważ zależy to od geometrii powierzchni powierzchni użytej do obliczenia strumienia, zmienia się w zależności od kształtu. W przypadku obszaru kołowego pole strumienia ZA byłoby π_r_² z r jako promień koła lub dla zakrzywionej powierzchni cylindra, pole strumienia byłoby Ch w którym do to obwód okrągłej powierzchni czołowej cylindra i h jest wysokością cylindrów.

Ładunek i elektryczność statyczna

Elektryczność statyczna pojawia się, gdy dwa obiekty nie są w równowadze elektrycznej (lub równowaga elektrostatyczna) lub, że istnieje ładunek netto przepływów z jednego obiektu do drugiego. Gdy materiały ocierają się o siebie, przenoszą ładunki między sobą. Pocieranie skarpetkami dywanu lub gumy napompowanego balonu na twoich włosach może generować te formy energii elektrycznej. Szok przenosi te nadwyżki ładunków z powrotem, aby przywrócić stan równowagi.

Przewodniki elektryczne

Dla konduktor (materiał, który przenosi elektryczność) w równowadze elektrostatycznej, pole elektryczne w środku jest zerowe, a ładunek netto na jego powierzchni musi pozostać w równowadze elektrostatycznej. Wynika to z faktu, że gdyby istniało pole, elektrony w przewodniku rozdzieliłyby się lub ponownie wyrównały w odpowiedzi na pole. W ten sposób anulują każde pole natychmiast po jego utworzeniu.

Druty aluminiowe i miedziane są powszechnie stosowanymi materiałami przewodników służącymi do przesyłania prądów, a także często stosowane są przewodniki jonowe, które są rozwiązaniami wykorzystującymi swobodnie pływające jony, aby umożliwić swobodny przepływ ładunku. Półprzewodniki, takie jak układy scalające, które pozwalają komputerom funkcjonować, wykorzystują również swobodnie krążące elektrony, ale nie tak wiele, jak przewodniki. Półprzewodniki, takie jak krzem i german, również wymagają więcej energii, aby umożliwić przepływ ładunków i generalnie mają niskie przewodnictwo. Natomiast izolatory takie jak drewno, nie pozwalają na swobodny przepływ ładunku przez nie.

Bez pola wewnątrz, dla powierzchni Gaussa, która leży tuż wewnątrz powierzchni przewodnika, pole musi być wszędzie zerowe, aby strumień był zerowy. Oznacza to, że w przewodniku nie ma ładunku elektrycznego netto. Na podstawie tego można wywnioskować, że w przypadku symetrycznych struktur geometrycznych, takich jak kule, ładunek rozkłada się równomiernie na powierzchni powierzchni Gaussa.

Prawo Gaussa w innych sytuacjach

Ponieważ ładunek netto na powierzchni musi pozostawać w równowadze elektrostatycznej, każde pole elektryczne musi być prostopadłe do powierzchni przewodnika, aby materiał mógł przenosić ładunki. Prawo Gaussa pozwala obliczyć wielkość tego pola elektrycznego i strumień dla przewodnika. Pole elektryczne wewnątrz przewodnika musi wynosić zero, a na zewnątrz musi być prostopadłe do powierzchni.

Oznacza to, że w przypadku cylindrycznego przewodnika o polu promieniującym od ścian pod kątem prostopadłym całkowity strumień wynosi po prostu 2_E__πr_² dla pola elektrycznego mi i r promień okrągłej powierzchni cylindrycznego przewodnika. Można również opisać ładunek netto na powierzchni za pomocą σ, gęstość ładunku na jednostkę powierzchni pomnożoną przez powierzchnię.