Как се изчислява електрически заряд

Съдържание

• Формула за електрическо зареждане
• Електрически заряд и гравитация: прилики
• Запазване на електрически заряд
• Броят на електроните в заряд
• Изчисляване на електрически заряд в схеми
• Формула на електрическо поле
• Нетният заряд на Вселената
• Изчисляване на електрически поток със заряд
• Зареждане и статично електричество
• Електрически проводници
• Закон на Гаус в други ситуации

Независимо дали статичното му електричество се излъчва от кожух или електричеството, което захранва телевизорите, можете да научите повече за електрическия заряд, като разберете основната физика. Методите за изчисляване на заряда зависят от естеството на самото електричество, като например принципите за това как зарядът се разпределя чрез обекти. Тези принципи са същите, независимо къде се намирате във Вселената, превръщайки електрическия заряд в основно свойство на самата наука.

Формула за електрическо зареждане

Има много начини за изчисляване електрически заряд за различни минуси във физиката и електротехниката.

Закон на Куломби обикновено се използва при изчисляване на силата в резултат на частици, които носят електрически заряд, и е едно от най-често срещаните уравнения на електрически заряд, които ще използвате. Електроните носят индивидуални заряди от -1602 × 10^-19 куломите (С) и протоните носят същото количество, но в положителна посока, 1.602 × 10 ⁻¹⁹ В. За две такси р₁ и р₂ _, които са разделени с разстояние _r, можете да изчислите електрическата сила F_E генерирани с помощта на закона на Coulombs:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

в който к е константа к = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / ° С², Физиците и инженерите понякога използват променливата д да се отнася до заряда на електрон.

Обърнете внимание, че при заряди с противоположни знаци (плюс и минус) силата е отрицателна и следователно привлекателна между двата заряда. При две заряди от един и същ знак (плюс и плюс или минус и минус) силата е отблъскваща. Колкото по-големи са зарядите, толкова по-силна е атрактивната или отблъскваща сила между тях.

Електрически заряд и гравитация: прилики

Законът на Куломб има поразително сходство с закона на Нютон за гравитационна сила F_{G ​} = G m₁m₂ / R² за гравитационна сила F_G, маси m₁и m₂и гравитационна константа G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s², И двете измерват различни сили, варират с по-голяма маса или заряд и зависят от радиуса между двата обекта до втората мощност. Въпреки приликите, важно е да запомните гравитационните сили винаги са привлекателни, докато електрическите сили могат да бъдат привлекателни или отблъскващи.

Трябва също да отбележите, че електрическата сила като цяло е много по-силна от гравитацията въз основа на разликите в експоненциалната сила на константи на законите. Приликите между тези два закона са по-голяма индикация за симетрия и модели сред общите закони на Вселената.

Запазване на електрически заряд

Ако дадена система остане изолирана (т.е. без контакт с нещо друго извън нея), тя ще спести такса. Запазване на такса означава, че общото количество електрически заряд (положителен заряд минус отрицателен заряд) остава същото за системата. Запазването на заряда позволява на физиците и инженерите да изчислят колко заряд се движи между системите и тяхното обкръжение.

Този принцип позволява на учените и инженерите да създават клетки Faraday, които използват метални щитове или покритие, за да предотвратят изтичането на заряда. Клетките Faraday или Faraday щитовете използват склонност към електрически полета да преразпределят заряди в материала, за да отменят ефекта от полето и да предотвратят зарядите да навредят или навлизат във вътрешността. Те се използват в медицинско оборудване като машини за магнитно резонансно изображение, за да се предотврати изкривяването на данните и в защитна екипировка за електротехници и работници, работещи в опасни среди.

Можете да изчислите нетния поток на заряда за обем пространство, като изчислите общото количество на въвеждането на заряда и извадете общото количество на заряда. Чрез електрони и протони, които носят заряд, заредените частици могат да бъдат създадени или унищожени, за да се балансират според запазването на заряда.

Броят на електроните в заряд

Знаейки, че зарядът на един електрон е −1.602 × 10 ⁻¹⁹ С, заряд от −8 × 10 ⁻¹⁸ С ще бъде съставен от 50 електрона. Можете да намерите това, като разделите количеството електрически заряд на величината на заряда на един единствен електрон.

Изчисляване на електрически заряд в схеми

Ако знаете електрически ток, потокът на електрически заряд през обект, пътуващ по верига и колко дълго се прилага токът, можете да изчислите електрически заряд, като използвате уравнението за ток Q = То в който Q е общата такса, измерена в кулони, аз е ток в ампери и т е време, когато токът се прилага за секунди. Можете също да използвате закона на Омс (V = IR) за изчисляване на ток от напрежение и съпротивление.

За схема с напрежение 3 V и съпротивление 5 Ω, която се прилага за 10 секунди, съответстващият ток, който се получава, е аз = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, и общият заряд би бил Q = Това = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Ако знаете потенциалната разлика (V) във волта, приложени във верига и работата (W) в джоули, направени през периода, в който се прилага, таксата в куломи, Q = W / V.

Формула на електрическо поле

••• Syed Hussain Ather

Електрическо поле, електрическата сила на единица заряд, се разпространява радиално навън от положителни заряди към отрицателни заряди и може да се изчисли с E = F_E / р, в който F_E е електрическата сила и р е зарядът, който произвежда електрическото поле. Като се има предвид колко основни поле и сила са изчисленията в електричеството и магнетизма, електрическият заряд може да бъде определен като свойство на материята, която причинява на частицата да има сила в присъствието на електрическо поле.

Дори ако нетната или общата такса върху даден обект е нулева, електрическите полета позволяват разпределянето на таксите по различни начини вътре в обектите. Ако вътре има разпределения на таксите, които водят до ненулева нетна такса, тези обекти са поляризиранаи зарядът, който причиняват тези поляризации, са известни като обвързани такси.

Нетният заряд на Вселената

Въпреки че учените не са съгласни какъв е пълният заряд на Вселената, те са направили образовани предположения и са тествали хипотези чрез различни методи. Можете да наблюдавате, че гравитацията е доминиращата сила във Вселената в космологичния мащаб и, тъй като електромагнитната сила е много по-силна от гравитационната сила, ако Вселената има нетен заряд (положителен или отрицателен), тогава бихте могли да вижте доказателства за това на толкова огромни разстояния. Липсата на тези доказателства накара изследователите да смятат, че Вселената е неутрална заряд.

Дали Вселената винаги е била неутрална заряд или как се е променил зарядът на Вселената след големия взрив също са въпроси, които предстоят на разискване. Ако Вселената имаше нетен заряд, тогава учените трябва да могат да измерват своите тенденции и ефекти върху всички линии на електрическото поле по такъв начин, че вместо да се свързват от положителни заряди към отрицателни заряди, те никога няма да свършат. Липсата на това наблюдение също сочи аргумента, че Вселената няма чист заряд.

Изчисляване на електрически поток със заряд

••• Syed Hussain Ather

Най- електрически поток през равнинна (т.е. плоска) област А на електрическо поле E е полето, умножено по компонента на зоната, перпендикулярна на полето. За да получите този перпендикулярна компонента, използвате косинуса на ъгъла между полето и равнината на интерес във формулата за поток, представена от Φ = EA защото (θ), където θ е ъгълът между линията, перпендикулярна на областта и посоката на електрическото поле.

Това уравнение, известно като Закон на Гаус, също ви казва, че за повърхности като тези, които наричате Гаусски повърхности, всеки нетен заряд би пребивавал върху повърхността му на равнината, тъй като би било необходимо да се създаде електрическото поле.

Тъй като това зависи от геометрията на площта на повърхността, използвана за изчисляване на потока, тя варира в зависимост от формата. За кръгла зона зоната на потока А ще бъде π_r_² с R като радиус на кръга, или за извитата повърхност на цилиндър, би била зоната на потока Ch в който ° С е обиколката на лицето на кръговия цилиндър и з е височината на цилиндрите.

Зареждане и статично електричество

Статично електричество възниква, когато два обекта не са в електрическо равновесие (или електростатично равновесие) или, че има нетен поток от такси от един обект в друг. Докато материалите се търкат един срещу друг, те прехвърлят такси помежду си. Разтриването на чорапи върху килим или гумата на надут балон върху косата ви може да генерира тези форми на електричество. Шокът прехвърля тези излишни такси обратно за възстановяване на състояние на равновесие.

Електрически проводници

За проводник (материал, който предава електричество) в електростатично равновесие, електрическото поле вътре е нулево, а нетният заряд на повърхността му трябва да остане в електростатично равновесие. Това е така, защото ако имаше поле, електроните в проводника биха се преразпределили или пренаредили в отговор на полето. По този начин те биха анулирали всяко поле веднага, когато то бъде създадено.

Алуминиевата и медната жица са обичайни проводни материали, използвани за предаване на токове, а също така често се използват йонни проводници, които са разтвори, които използват свободно плаващи йони, за да позволят на заряда да протича лесно. Полупроводници, като чиповете, които позволяват на компютрите да функционират, използват и свободно циркулиращи електрони, но не толкова, колкото правят проводниците. Полупроводниците като силиций и германий също изискват повече енергия, за да позволят на зарядите да циркулират и като цяло имат ниска проводимост. За разлика от това, изолатори например дървесината не позволявайте на заряда да тече лесно през тях.

Без поле вътре, за гаусска повърхност, която лежи точно вътре в повърхността на проводника, полето трябва да е нула навсякъде, така че потокът да е нула. Това означава, че вътре в проводника няма електрически заряд. От това можете да заключите, че за симетрични геометрични структури, като сфери, зарядът се разпределя равномерно върху повърхността на Гаусова повърхност.

Закон на Гаус в други ситуации

Тъй като нетният заряд на повърхността трябва да остане в електростатично равновесие, всяко електрическо поле трябва да бъде перпендикулярно на повърхността на проводник, за да може материалът да предава заряди. Законът на Гаус ви позволява да изчислите величината на това електрическо поле и поток за проводника. Електрическото поле вътре в проводник трябва да е нулево, а отвън трябва да е перпендикулярно на повърхността.

Това означава, че за цилиндричен проводник с поле, излъчващо се от стените под перпендикулярен ъгъл, общият поток е просто 2_E__πr_² за електрическо поле E и R радиус на кръглото лице на цилиндричния проводник. Можете също да опишете нетния заряд на повърхността, като използвате σ, the плътност на заряда за единица площ, умножена по площта.