Kako izračunati električni naboj

Sadržaj

• Formula električnog punjenja
• Električni naboj i gravitacija: sličnosti
• Očuvanje električne punjenja
• Broj elektrona u punjenju
• Izračunavanje električne naboje u krugovima
• Formula električnog polja
• Neto naboj svemira
• Izračunavanje električnog toka s punjenjem
• Punjenje i statička električna energija
• Električni provodnici
• Gaussov zakon u drugim situacijama

Bilo da se radi o statičkom elektricitetu koji ispušta krzneni kaput ili o elektricitetu koji napaja televizore, o električnom naboju možete saznati razumijevanjem temeljne fizike. Načini izračunavanja naboja ovise o prirodi same električne energije, poput principa kako se naboj raspodjeljuje kroz predmete. Ti su principi isti bez obzira gdje se nalazite u svemiru, zbog čega je električni naboj osnovno svojstvo same znanosti.

Formula električnog punjenja

Postoji mnogo načina izračuna električno punjenje za razne nedostatke u fizici i elektrotehnici.

Coulombosov zakon obično se koristi pri izračunavanju sile koja nastaje od čestica koje nose električni naboj i jedna je od najčešćih jednadžbi električnog naboja koje ćete koristiti. Elektroni nose pojedinačni naboj −1,602 × 10^-19 coulombi (C) i protoni nose jednaku količinu, ali u pozitivnom smjeru, 1.602 × 10 ⁻¹⁹ C. Za dva naboja q₁ i q₂ _ koje su razdvojene udaljenosti _r, možete izračunati električnu silu F_E generirano korištenjem Coulombsovog zakona:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

u kojem k je konstanta k = 9.0 × 10 ⁹ nm² / C², Fizičari i inženjeri ponekad koriste varijablu e da se odnosi na naboj elektrona.

Imajte na umu da je za naboje suprotnih znakova (plus i minus) sila negativna i, samim tim, privlačna između dva naboja. Za dva naboja istog znaka (plus i plus ili minus i minus) sila je odbojna. Što su naboji veći, to je jača privlačnost ili odbojnost između njih.

Električni naboj i gravitacija: sličnosti

Coulombosov zakon ima upečatljivu sličnost Newtonovom zakonu zbog gravitacijske sile F_{G ​} = G m₁m₂ / r² za gravitacijsku silu F_G, mase m₁i m₂, i gravitaciona konstanta G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s², Oboje mjere različite sile, razlikuju se s većom masom ili nabojem i ovise o polumjeru između oba objekta do druge snage. Unatoč sličnostima, važno je zapamtiti gravitacijske sile uvijek su privlačne, dok električne sile mogu biti privlačne ili odbojne.

Treba također primijetiti da je električna sila općenito mnogo jača od gravitacije na temelju razlika u eksponencijalnoj snazi ​​konstanti zakona. Sličnosti između ova dva zakona veći su pokazatelj simetrije i obrazaca među uobičajenim zakonima svemira.

Očuvanje električne punjenja

Ako sustav ostane izoliran (tj. Bez dodira s bilo čim drugim izvan njega), uštedjet će troškove. Očuvanje naboja znači da ukupna količina električnog naboja (pozitivnog naboja minus negativnog naboja) ostaje ista za sustav. Očuvanje naboja omogućava fizičarima i inženjerima da izračunaju koliko se naboja kreće između sustava i njihove okoline.

Ovaj princip omogućuje znanstvenicima i inženjerima da stvore Faradayeve kaveze koje koriste metalne štitnike ili obloge kako bi spriječili da brizganje ne ispadne. Faradayevi kavezi ili Faradayevi štitnici koriste tendenciju električnog polja da ponovo distribuiraju naboje unutar materijala kako bi se poništili učinci polja i spriječilo da naboji oštete ili uđu u unutrašnjost. Koriste se u medicinskoj opremi kao što su aparati za magnetsku rezonancu, kako bi se spriječilo iskrivljenje podataka, te u zaštitnoj opremi za električare i ljude koji rade u opasnim okruženjima.

Možete izračunati neto protok naboja za volumen prostora tako što ćete izračunati ukupnu količinu unosa naboja i oduzeti ukupnu količinu napunjenog troška. Kroz elektrone i protone koji nose naboj, nabijene čestice mogu se stvoriti ili uništiti kako bi se uravnotežile prema očuvanju naboja.

Broj elektrona u punjenju

Znajući da je naboj elektrona −1.602 × 10 ⁻¹⁹ C, naboj od -8 × 10 ⁻¹⁸ C bi se sastojao od 50 elektrona. To možete pronaći dijeljenjem količine električnog naboja s veličinom naboja jednog elektrona.

Izračunavanje električne naboje u krugovima

Ako znate električna struja, protok električnog naboja kroz objekt, koji putuje kroz krug i koliko dugo se primjenjuje struja, možete izračunati električni naboj pomoću jednadžbe za struju P = To u kojem P ukupni naboj mjeren u coulombs, ja je struja u amperima i t je vrijeme koje se struja primjenjuje u sekundi. Možete koristiti i Ohmov zakon (V = IR) za izračunavanje struje od napona i otpora.

Za krug s naponom 3 V i otporom 5 Ω, koji se primjenjuje u trajanju od 10 sekundi, odgovarajuća struja koja nastaje je ja = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, a bio bi i ukupni naboj Q = To = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Ako znate potencijalnu razliku (V) u voltima primijenjenim u krugu i djelu (W) u džulovima izrađenim u razdoblju u kojem se primjenjuje, naboj u coulombama, P = W / V.

Formula električnog polja

••• Syed Hussain Ather

Električno polje, električna sila po jedinici naboja, širi se radijalno prema van od pozitivnih naboja prema negativnim nabojima i može se izračunati sa E = F_E / q, u kojem F_E je električna sila i q je naboj koji proizvodi električno polje. S obzirom na to koliko su temeljno polje i sila proračuni u elektricitetu i magnetizmu, električni naboj može se definirati kao svojstvo materije koja uzrokuje da čestica ima silu u prisutnosti električnog polja.

Čak i ako je neto ili ukupno naboj na nekom objektu jednak nuli, električna polja omogućuju distribuciju naboja na različite načine unutar objekata. Ako unutar njih postoje raspodjele naboja, koje rezultiraju ne-nultim neto nabojem, to su ovi objekti polarizirano, i naboj koji ove polarizacije uzrokuju je poznat kao vezani troškovi.

Neto naboj svemira

Iako se znanstvenici ne slažu oko ukupnog naboja svemira, oni su poučavali i testirali hipoteze raznim metodama. Možete primijetiti da je gravitacija dominantna sila u svemiru na kozmološkoj ljestvici, i, budući da je elektromagnetska sila mnogo jača od gravitacijske sile, ako bi svemir imao neto naboj (pozitivan ili negativan), tada biste bili u mogućnosti da vidjeti dokaze o tome na tako velikim udaljenostima. Nepostojanje ovih dokaza navelo je istraživače da vjeruju kako je svemir neutralan.

Je li svemir uvijek bio nabojno neutralan ili kako se naboj svemira promijenio nakon velikog praska također su pitanja o kojima se može raspravljati. Da je svemir imao neto naboj, znanstvenici bi trebali biti u stanju izmjeriti njihove tendencije i učinke na sve linije električnog polja na takav način da se umjesto povezivanja s pozitivnim nabojima u negativne naboje nikada ne bi završili. Nepostojanje ovog zapažanja također ukazuje na argument da svemir nema neto naboj.

Izračunavanje električnog toka s punjenjem

••• Syed Hussain Ather

električni tok kroz ravninsko (tj. ravno) područje električnog polja E je polje pomnoženo s komponentom područja okomito na polje. Da biste dobili ovu okomitu komponentu, koristi se kosinus kut između polja i ravnine koji se zanima u formuli za fluks, predstavljen sa Φ = EA cos (θ), gdje θ je kut između crte okomite na područje i smjera električnog polja.

Ova jednadžba, poznata kao Gaussov zakon, također vam govori da za površine poput ovih, koje nazivate Gaussove površine, bilo koji neto naboj stajao bi na njegovoj površini ravnine jer bi bilo potrebno stvoriti električno polje.

Budući da to ovisi o geometriji površine površine koja se koristi za izračunavanje fluksa, ona ovisi o obliku. Za kružno područje, područje fluksa bilo bi π_r_² s r kao polumjer kruga, ili za zakrivljenu površinu cilindra, bilo bi područje fluksa CH u kojem C je opseg lica kružnog cilindra i h je visina cilindara.

Punjenje i statička električna energija

Statična struja nastaje kada dva objekta nisu u električnoj ravnoteži (ili elektrostatička ravnoteža) ili, ako postoji neto protok naboja s jednog objekta na drugi. Dok se materijali trljaju jedni o druge, oni prenose naboje među sobom. Trljanje čarapa na tepih ili gume napuhanog balona na vašoj kosi može stvoriti ove oblike električne energije. Šok vraća te viške naboja natrag kako bi se ponovno uspostavilo stanje ravnoteže.

Električni provodnici

Za dirigent (materijal koji prenosi električnu energiju) u elektrostatskoj ravnoteži, električno polje unutar je nula, a neto naboj na njegovoj površini mora ostati u elektrostatskoj ravnoteži. To je zato što bi, da postoji polje, elektroni u vodiču bi se ponovo raspodijelili ili ponovno poravnali kao odgovor na polje. Na taj način ukinuli bi svako polje čim bi ga stvorili.

Aluminijska i bakrena žica su uobičajeni materijali provodnika koji se koriste za prijenos struje, a često se koriste i ionski vodiči, to su rješenja koja koriste slobodno plutajuće ione kako bi punjenje lako prolazilo kroz njega. Poluvodiča, poput čipova koji računalima omogućuju funkcioniranje, također koriste slobodno cirkulirajuće elektrone, ali ne onoliko koliko to rade provodnici. Pol vodiči poput silicijuma i germanija također trebaju više energije da punjenje naboja cirkulira i općenito imaju malu vodljivost. Po kontrastu, izolatori poput drveta, ne puštaju da naboj lako teče kroz njih.

Bez unutrašnjeg polja, za Gaussovu površinu koja leži upravo unutar površine vodiča, polje mora biti svugdje nuto tako da je fluks jednak nuli. To znači da unutar vodiča nema električnog naboja. Iz ovoga se može zaključiti da se za simetrične geometrijske strukture poput sfera naboj ravnomjerno raspoređuje na površini Gaussove površine.

Gaussov zakon u drugim situacijama

Budući da neto naboj na površini mora ostati u elektrostatičkoj ravnoteži, svako električno polje mora biti okomito na površinu vodiča kako bi materijal mogao da prenosi naboje. Gausssov zakon omogućuje izračunavanje veličine ovog električnog polja i fluksa za provodnik. Električno polje unutar vodiča mora biti nula, a izvana mora biti okomito na površinu.

To znači da za cilindrični vodič s poljem koje zrači od zidova okomito na kut, ukupni tok je jednostavno 2_E__πr_² za električno polje E i r polumjer kružnog lica cilindričnog vodiča. Također možete opisati neto naboj na površini koristeći σ, the gustoća naboja po jedinici površine, pomnoženo s površinom.