Як розрахувати електричну зарядку

Зміст

• Формула електричного заряду
• Електричний заряд і сила тяжіння: подібність
• Збереження електричної зарядки
• Кількість електронів у заряді
• Розрахунок електричного заряду в ланцюгах
• Формула електричного поля
• Чистий заряд Всесвіту
• Розрахунок електричного потоку із зарядом
• Зарядна та статична електрика
• Електричні провідники
• Закон Гаусса в інших ситуаціях

Незалежно від того, чи статична електрика випромінюється пухнастим пальто або електроенергія, яка живить телевізори, ви можете дізнатися більше про електричний заряд, зрозумівши основну фізику. Методи обчислення заряду залежать від природи самої електрики, таких як принципи того, як заряд розподіляється через об'єкти. Ці принципи однакові незалежно від того, де ви знаходитесь у Всесвіті, зробивши електричний заряд основним властивістю самої науки.

Формула електричного заряду

Існує багато способів розрахунку електричний заряд для різних мінусів з фізики та електротехніки.

Закон Куломба зазвичай використовується при обчисленні сили, що виникає внаслідок частинок, що несуть електричний заряд, і є одним із найпоширеніших рівнянь електричного заряду, який ви будете використовувати. Електрони несуть індивідуальний заряд −1,602 × 10^-19 кулони (С) і протони несуть однакову кількість, але в позитивному напрямку 1,660 × 10 ⁻¹⁹ C. За два заряди q₁ і q₂ _, які розділені відстані _r, можна розрахувати електричну силу Ж_Е генерується за допомогою закону Куломба:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

в якій к є постійною к = 9.0 × 10 ⁹ Нм² / С². Фізики та інженери іноді використовують змінну е для позначення заряду електрона.

Зауважте, що для зарядів протилежних знаків (плюс і мінус) сила негативна і, отже, приваблива між двома зарядами. Для двох зарядів одного знака (плюс і плюс або мінус і мінус) сила є відразливою. Чим більше зарядів, тим сильніша приваблива або відштовхуюча сила між ними.

Електричний заряд і сила тяжіння: подібність

Закон Куломба має гравітаційну схожість із законом Ньютона Ж_{Г ​} = Г м₁м₂ / r² для сили тяжіння Ж_Г, мас м₁і м₂і гравітаційна константа Г = 6.674 × 10 ⁻¹¹ м³/ кг с². Вони обидва вимірюють різні сили, змінюються з більшою масою або зарядом і залежать від радіуса між обома об'єктами до другої сили. Незважаючи на подібність, важливо пам’ятати гравітаційні сили завжди привабливі, тоді як електричні сили можуть бути привабливими або відштовхуючими.

Слід також зазначити, що електрична сила, як правило, набагато сильніше, ніж сила тяжіння, грунтуючись на відмінностях експоненціальної сили констант законів. Подібність цих двох законів є більшою ознакою симетрії та закономірностей серед загальних законів Всесвіту.

Збереження електричної зарядки

Якщо система залишиться ізольованою (тобто без контакту ні з чим іншим поза нею), вона заощадить заряд. Збереження заряду означає, що загальна кількість електричного заряду (позитивний заряд мінус негативний заряд) залишається однаковою 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 чи покриття, щоб запобігти виходу заряду. Клітки Фарадея або екрани Фарадея використовують тенденцію до електричного поля, щоб перерозподілити заряди всередині матеріалу, щоб скасувати дію поля і запобігти забиттю шкоди або потрапляння в інтер'єр. Вони використовуються в медичному обладнанні, наприклад, магнітно-резонансних апаратах для томографії, для запобігання викривлення даних, а також у захисних спорядженнях для електриків та рятувальників, що працюють в небезпечних умовах.

Можна обчислити чистий потік заряду для об'єму простору, обчисливши загальну кількість заряду, що надходить, і відняти загальну кількість залишеного заряду. Через електрони та протони, що несуть заряд, заряджені частинки можуть бути створені або знищені, щоб збалансувати себе відповідно до збереження заряду.

Кількість електронів у заряді

Знаючи, що заряд електрона становить -1602 × 10 ⁻¹⁹ C, заряд −8 × 10 ⁻¹⁸ С складатиметься з 50 електронів. Це можна знайти, поділивши кількість електричного заряду на величину заряду одного електрона.

Розрахунок електричного заряду в ланцюгах

Якщо ви знаєте електричний струм, потік електричного заряду через об'єкт, що проходить по ланцюгу, і тривалість поданого струму, ви можете розрахувати електричний заряд, використовуючи рівняння для струму Q = Це в якій Q - загальна сума заряду, виміряна в кулонах, Я струм в амперах і т час, що струм подається в секундах. Ви також можете використовувати закон Ома (V = ІЧ) для обчислення струму від напруги та опору.

Для ланцюга з напругою 3 В і опором 5 Ом, який подається протягом 10 секунд, відповідний струм, що виходить Я = V / R = 3 В / 5 Ом = 0,6 А, і загальний заряд був би Q = Це = 0,6 А × 10 с = 6 С.

Якщо ви знаєте різницю потенціалів (V) у вольтах, що застосовуються в ланцюзі, і робота (W) в джоулях, здійснених протягом періоду, на який він застосовується, нарахування в кулонах, Q = W / V.

Формула електричного поля

••• Сид Хусейн Ефір

Електричне поле, електрична сила на одиницю заряду, поширюється радіально назовні від позитивних зарядів до негативних зарядів і може бути обчислена за допомогою Е = Ж_Е / q, в якій Ж_Е - електрична сила і q - заряд, який виробляє електричне поле. З огляду на те, наскільки фундаментальне поле та сила для обчислень в електриці та магнетизмі, електричний заряд може бути визначений як властивість речовини, яка спричиняє, що частинка має силу при наявності електричного поля.

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

Чистий заряд Всесвіту

Хоча вчені і не згодні з тим, який загальний заряд Всесвіту, вони зробили обґрунтовані здогадки та перевірили гіпотези різними методами. Ви можете помітити, що гравітація є домінуючою силою у Всесвіті в космологічному масштабі, і, оскільки електромагнітна сила набагато сильніша за гравітаційну силу, якщо у Всесвіті був чистий заряд (позитивний чи негативний), то ви зможете бачити докази цього на таких величезних відстанях. Відсутність цих доказів змусила дослідників вважати, що Всесвіт зарядно нейтральний.

Чи завжди Всесвіт був нейтральним зарядом, або як змінився заряд Всесвіту після великого удару - це також питання, які підлягають дискусії. Якби Всесвіт мав чистий заряд, то вчені повинні мати можливість вимірювати свої тенденції та ефекти на всіх лініях електричного поля таким чином, що замість з'єднання від позитивних зарядів до негативних зарядів вони ніколи не закінчаться. Відсутність цього спостереження також вказує на аргумент, що Всесвіт не має чистого заряду.

Розрахунок електричного потоку із зарядом

••• Сид Хусейн Ефір

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

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

Оскільки це залежить від геометрії площі поверхні, що використовується для обчислення потоку, вона змінюється залежно від форми. Для круглої області - область потоку А буде π_r_² з r як радіус кола, або для вигнутої поверхні циліндра буде область потоку Гл в якій С - окружність грані циліндра і год - висота циліндрів.

Зарядна та статична електрика

Статична електрика виникає, коли два об'єкти не перебувають у електричній рівновазі (або електростатична рівновага), або, що є чистий потік зарядів від одного об'єкта до іншого. Коли матеріали протираються один одного, вони переносять заряд між собою. Потирання шкарпеток на килимі або гума надутого повітряного кулі на вашому волоссі може генерувати ці форми електрики. Шок переносить ці надмірні заряди назад, щоб відновити стан рівноваги.

Електричні провідники

Для провідник (матеріал, який передає електроенергію) в електростатичній рівновазі, електричне поле всередині дорівнює нулю, а чистий заряд на його поверхні повинен залишатися при електростатичній рівновазі. Це тому, що якби було поле, електрони в провіднику перерозподілялися б або повторно вирівнювали себе у відповідь на поле. Таким чином вони скасують будь-яке поле в той момент, коли воно буде створене.

Алюмінієвий і мідний дріт - це звичайні провідникові матеріали, які використовуються для передачі струмів, а також часто застосовуються іонні провідники, які є рішеннями, які використовують вільно плаваючі іони, щоб пускати заряд легко. Напівпровідники, наприклад, мікросхеми, які дозволяють комп'ютерам функціонувати, також використовують вільно циркулюючі електрони, але не так багато, як це роблять провідники. Напівпровідники, такі як кремній і германій, також потребують більше енергії, щоб заряди циркулювали і зазвичай мали низьку провідність. На противагу, ізолятори наприклад, деревина не дозволяє легко заряджатися через них.

Без поля всередині, для поверхні Гаусса, яка лежить просто всередині поверхні провідника, поле повинно бути скрізь нульовим, щоб потік дорівнював нулю. Це означає, що всередині провідника немає чистого електричного заряду. З цього можна зробити висновок, що для симетричних геометричних структур, таких як сфери, заряд розподіляється рівномірно по поверхні Гауссової поверхні.

Закон Гаусса в інших ситуаціях

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

Це означає, що для циліндричного провідника із полем, що випромінюється від стінок під перпендикулярним кутом, загальний потік просто 2_E__πr_² для електричного поля Е і r радіус круглої поверхні циліндричного провідника. Ви також можете описати чистий заряд на поверхні, використовуючи σ, the щільність заряду на одиницю площі, помноженої на площу.