Ako vypočítať elektrický náboj

Obsah

• Vzorec elektrického náboja
• Elektrické nabitie a gravitácia: podobnosti
• Zachovanie elektrického náboja
• Počet elektrónov za poplatok
• Výpočet elektrického náboja v obvodoch
• Vzorec elektrického poľa
• Čisté poplatky za vesmír
• Výpočet elektrického toku s nabíjaním
• Nabíjanie a statická elektrina
• Elektrické vodiče
• Gausssov zákon v iných situáciách

Či už je to statická elektrina vydávaná chlpatým kabátom alebo elektrina, ktorá poháňa televízne prijímače, môžete sa dozvedieť viac o elektrickom náboji pochopením základnej fyziky. Metódy výpočtu náboja závisia od charakteru samotnej elektriny, ako sú napríklad princípy spôsobu, akým sa náboj distribuuje prostredníctvom objektov. Tieto princípy sú rovnaké bez ohľadu na to, kde sa nachádzate vo vesmíre, takže elektrický náboj je základnou vlastnosťou vedy samotnej.

Vzorec elektrického náboja

Existuje veľa spôsobov výpočtu nabíjačka pre rôzne nevýhody vo fyzike a elektrotechnike.

Coulombov zákon sa všeobecne používa pri výpočte sily vyplývajúcej z častíc, ktoré nesú elektrický náboj, a je jednou z najbežnejších rovníc elektrického náboja, ktoré budete používať. Elektróny nesú individuálne náboje –1 602 × 10^-19 coulomby (C) a protóny nesú rovnaké množstvo, ale v pozitívnom smere, 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. Za dva poplatky q₁ a q₂ sú oddelené vzdialenosťou _r, môžete vypočítať elektrickú silu F_E generované podľa Coulombovho zákona:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

v ktorom k je konštanta k = 9.0 × 10 ⁹ nm² / C², Túto premennú niekedy používajú fyzici a inžinieri e označovať náboj elektrónu.

Upozorňujeme, že pri poplatkoch opačných znamienok (plus a mínus) je sila záporná, a preto atraktívna medzi týmito dvoma nábojmi. Pri dvoch nábojoch toho istého znamienka (plus a plus alebo mínus a mínus) je sila odpudivá. Čím väčšie sú náboje, tým silnejšia je atraktívna alebo odpudivá sila medzi nimi.

Elektrické nabitie a gravitácia: podobnosti

Coulombov zákon má výraznú podobnosť s Newtonovým zákonom o gravitačnej sile F_{G ​} = G m₁m₂ / r² pre gravitačnú silu F_G, masy m₁a m₂a gravitačná konštanta G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s², Obidve merajú rôzne sily, menia sa s väčšou hmotnosťou alebo nábojom a závisia od polomeru medzi oboma objektmi druhej sily. Napriek podobnostiam je dôležité pamätať na gravitačné sily vždy atraktívne, zatiaľ čo elektrické sily môžu byť atraktívne alebo odpudivé.

Mali by ste tiež poznamenať, že elektrická sila je vo všeobecnosti oveľa silnejšia ako gravitácia založená na rozdieloch v exponenciálnej sile konštánt zákonov. Podobnosť medzi týmito dvoma zákonmi je výraznejšou indikáciou symetrie a vzorov medzi všeobecnými zákonmi vesmíru.

Zachovanie elektrického náboja

Ak zostane systém izolovaný (t. J. Bez kontaktu s ničím iným mimo neho), zachová si náboj. Zachovanie náboja znamená, že celkové množstvo elektrického náboja (kladný náboj mínus záporný náboj) zostáva rovnaké pre systém. Zachovanie náboja umožňuje fyzikom a technikom vypočítať, koľko náboja sa pohybuje medzi systémami a ich okolím.

Tento princíp umožňuje vedcom a technikom vytvárať Faradayove klietky, ktoré používajú kovové štíty alebo nátery, aby zabránili úniku náboja. Faradayove klietky alebo Faradayove štíty používajú tendenciu elektrických polí rozdeľovať náboje v materiáli, aby zrušili účinok poľa a zabránili poškodeniu alebo vniknutiu do vnútra. Používajú sa v lekárskych zariadeniach, ako sú prístroje na zobrazovanie magnetickou rezonanciou, na zabránenie skreslenia údajov av ochranných pomôckach pre elektrikárov a šnúrky pracujúce v nebezpečnom prostredí.

Čistý tok náboja pre objem priestoru môžete vypočítať tak, že vypočítate celkovú sumu poplatku, ktorá vstupuje a odpočíta celkovú sumu zostávajúceho náboja. Prostredníctvom elektrónov a protónov, ktoré nesú náboj, sa môžu nábojové častice vytvárať alebo ničiť, aby sa vyrovnali podľa ochrany náboja.

Počet elektrónov za poplatok

Vedieť, že náboj elektrónu je -1602 × 10 ⁻¹⁹ C, náboj -8 × 10 ⁻¹⁸ C by sa skladalo z 50 elektrónov. Toto nájdete tak, že vydáte množstvo elektrického náboja veľkosťou náboja jedného elektrónu.

Výpočet elektrického náboja v obvodoch

Ak poznáš elektrický prúd, tok elektrického náboja cez objekt, cestovanie obvodom a ako dlho je prúd aplikovaný, môžete vypočítať elektrický náboj pomocou rovnice pre prúd Q = to v ktorom Q je celkový náboj meraný v coulomboch, ja je aktuálny v zosilňovačoch a T je čas, kedy sa aktuálny prúd aplikuje v sekundách. Môžete tiež použiť Ohmsov zákon (V = IR) na výpočet prúdu z napätia a odporu.

V prípade obvodu s napätím 3 V a odporom 5 Ω, ktorý sa aplikuje počas 10 sekúnd, je zodpovedajúci výsledný prúd ja = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A a celkový náboj by bol Q = It = 0,6 A × 10 s = 6 ° C

Ak poznáte potenciálny rozdiel (V) vo voltoch aplikovaných v obvode a pri práci (W) v jouloch vykonaných počas obdobia, v ktorom sa uplatňuje, poplatok v coulomboch, Q = W / V.

Vzorec elektrického poľa

••• Syed Hussain Ather

Elektrické pole, elektrická sila na jednotku náboja, sa šíri radiálne smerom von od kladných nábojov k záporným nábojom a dá sa vypočítať pomocou E = F_E / q, v ktorom F_E je elektrická sila a q je náboj, ktorý vytvára elektrické pole. Vzhľadom na to, aké zásadné pole a sila majú výpočty v elektrine a magnetizme, elektrický náboj možno definovať ako vlastnosť hmoty, ktorá spôsobuje, že častica má silu v prítomnosti elektrického poľa.

Aj keď je sieť alebo celkový náboj na objekte nulový, elektrické polia umožňujú distribúciu nábojov rôznymi spôsobmi vo vnútri objektov. Ak sa v nich nachádzajú distribúcie poplatkov, ktoré vedú k nenulovému čistému poplatku, tieto objekty sú polarizovanéa poplatok, ktorý tieto polarizácie spôsobujú, sa nazýva viazané poplatky.

Čisté poplatky za vesmír

Hoci vedci sa všetci nezhodujú na tom, aký je celkový náboj vesmíru, urobili vzdelané odhady a testovali hypotézy rôznymi metódami. Môžete si všimnúť, že gravitácia je dominantnou silou vo vesmíre v kozmologickom meradle, a pretože elektromagnetická sila je oveľa silnejšia ako gravitačná sila, ak by mal vesmír čistý náboj (buď pozitívny alebo negatívny), potom by ste boli schopní vidieť to v takej obrovskej vzdialenosti. Absencia tohto dôkazu viedla vedcov k presvedčeniu, že vesmír je neutrálny z hľadiska poplatkov.

Či už bol vesmír vždy neutrálny alebo ako sa zmenil náboj vesmíru od veľkého tresku, sú tiež otázkami, ktoré je potrebné prediskutovať. Keby mal vesmír čistý náboj, vedci by mali byť schopní zmerať svoje tendencie a účinky na všetky elektrické siločiary tak, aby namiesto pozitívneho náboja k zápornému náboju nikdy nekončili. Absencia tohto pozorovania tiež poukazuje na argument, že vesmír nemá žiadny čistý poplatok.

Výpočet elektrického toku s nabíjaním

••• Syed Hussain Ather

elektrický tok cez rovinnú (t.j. plochú) plochu elektrického poľa E je pole vynásobené zložkou oblasti kolmej na pole. Na získanie tejto kolmej zložky použijete kosínus uhla medzi poľom a rovinou záujmu vo vzorci pre tok, ktorý predstavuje Φ = EA cos (θ), kde θ je uhol medzi čiarou kolmou na plochu a smerom elektrického poľa.

Táto rovnica, známa ako Gausssov zákon, tiež vám to povie, pre povrchy, ako sú tieto, ktoré voláte Gaussovské povrchy, akýkoľvek čistý náboj by sa nachádzal na jeho povrchu roviny, pretože by bolo potrebné vytvoriť elektrické pole.

Pretože to závisí od geometrie oblasti povrchu použitého pri výpočte toku, mení sa v závislosti od tvaru. Pre kruhovú oblasť je oblasť toku bude π_r_² s r ako polomer kruhu, alebo pre zakrivený povrch valca by bola oblasť toku ch v ktorom C je obvod čela kruhového valca a hod je výška valcov.

Nabíjanie a statická elektrina

Statická elektrina objaví sa, keď dva objekty nie sú v elektrickej rovnováhe (alebo elektrostatická rovnováha), alebo či existuje čistý tok poplatkov z jedného objektu na druhý. Keď sa materiály navzájom potierajú, prenášajú poplatky medzi sebou. Trením ponožky na koberci alebo gumou nafúknutého balónika na vlasoch sa môžu generovať tieto formy elektriny. Šok prenesie tieto prebytočné poplatky späť, aby sa obnovil stav rovnováhy.

Elektrické vodiče

Pre vodič (materiál, ktorý prenáša elektrinu) v elektrostatickej rovnováhe, elektrické pole vo vnútri je nula a čistý náboj na jeho povrchu musí zostať v elektrostatickej rovnováhe. Je to tak preto, že ak by existovalo pole, elektróny vo vodiči by sa v reakcii na pole znovu distribuovali alebo znova zarovnali. Týmto spôsobom by zrušili akékoľvek pole v okamihu jeho vytvorenia.

Hliník a medený drôt sú bežné materiály vodičov, ktoré sa používajú na prenos prúdov, a často sa používajú iónové vodiče, čo sú roztoky, ktoré používajú voľne plávajúce ióny, aby umožnili ľahký tok nábojov. polovodiče, napríklad čipy, ktoré umožňujú počítačom fungovať, používajú tiež voľne cirkulujúce elektróny, ale nie toľko, koľko ich používajú vodiče. Polovodiče ako kremík a germánium tiež potrebujú viac energie na to, aby umožnili cirkuláciu nábojov a všeobecne majú nízku vodivosť. Naopak, izolátory napríklad drevo nedovoľuje ľahko prúdiť cez ne.

Ak nie je vo vnútri žiadne pole, pre gaussovský povrch, ktorý leží práve vo vnútri povrchu vodiča, musí byť pole všade nula, takže tok je nulový. To znamená, že vo vodiči nie je žiadny elektrický náboj. Z toho je možné odvodiť, že v prípade symetrických geometrických štruktúr, ako sú gule, sa náboj rovnomerne rozdeľuje na povrchu gaussovského povrchu.

Gausssov zákon v iných situáciách

Pretože sieťový náboj na povrchu musí zostať v elektrostatickej rovnováhe, každé elektrické pole musí byť kolmé na povrch vodiča, aby materiál mohol prenášať náboje. Gausssov zákon vám umožňuje vypočítať veľkosť tohto elektrického poľa a tok pre vodiča. Elektrické pole vo vodiči musí byť nulové a zvonku musí byť kolmé na povrch.

To znamená, že pre valcový vodič s poľom vyžarujúcim zo stien v kolmom uhle je celkový tok jednoducho 2_E__πr_² pre elektrické pole E a r polomer kruhovej plochy valcového vodiča. Čistý náboj na povrchu môžete tiež opísať pomocou σ, hustota náboja na jednotku plochy vynásobenú plochou.