Как рассчитать электрический заряд

Содержание

• Формула электрического заряда
• Электрический заряд и гравитация: сходство
• Сохранение электрического заряда
• Количество электронов в заряде
• Расчет электрического заряда в цепях
• Формула электрического поля
• Чистый заряд Вселенной
• Расчет электрического потока с зарядом
• Заряд и статическое электричество
• Электрические проводники
• Закон Гаусса в других ситуациях

Будь то статическое электричество, испускаемое меховым пальто или электричество, которое питает телевизоры, вы можете узнать больше об электрическом заряде, понимая основную физику. Методы расчета заряда зависят от природы самого электричества, например, от принципов распределения заряда по объектам. Эти принципы одинаковы, независимо от того, где вы находитесь во вселенной, делая электрический заряд фундаментальным свойством самой науки.

Формула электрического заряда

Есть много способов расчета электрический заряд за различные минусы в физике и электротехнике.

Закон Кулона обычно используется при расчете силы, возникающей от частиц, несущих электрический заряд, и является одним из наиболее распространенных уравнений электрического заряда, которые вы будете использовать. Электроны несут отдельные заряды -1,602 × 10^-19 кулоны (С) и протоны несут одинаковое количество, но в положительном направлении, 1.602 × 10 ⁻¹⁹ C. Для двух сборов Q₁ а также Q₂ _ которые разделены расстоянием _r, Вы можете рассчитать электрическую силу F_Е генерируется с использованием закона Кулона:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

в котором К постоянная К = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C², Физики и инженеры иногда используют переменную е относиться к заряду электрона.

Обратите внимание, что для зарядов противоположных знаков (плюс и минус) сила является отрицательной и, следовательно, привлекательной между двумя зарядами. Для двух зарядов одного знака (плюс и плюс или минус и минус) сила отталкивающая. Чем больше заряды, тем сильнее сила притяжения или отталкивания между ними.

Электрический заряд и гравитация: сходство

Закон Кулона имеет поразительное сходство с законом Ньютона для гравитационной силы F_{грамм ​} = Г м₁м₂ / р² для силы тяжести F_грамммассы м₁а также м₂и гравитационная постоянная грамм = 6.674 × 10 ⁻¹¹ м³/ кг с², Они оба измеряют разные силы, меняются с большей массой или зарядом и зависят от радиуса между обоими объектами до второй степени. Несмотря на сходства, важно помнить, что гравитационные силы всегда привлекательны, в то время как электрические силы могут быть привлекательными или отталкивающими.

Следует также отметить, что электрическая сила, как правило, намного сильнее, чем гравитация, на основании различий в экспоненциальной степени констант законов. Сходство между этими двумя законами является лучшим признаком симметрии и закономерностей среди общих законов вселенной.

Сохранение электрического заряда

Если система остается изолированной (то есть без контакта с чем-либо еще вне ее), она будет сохранять заряд. Сохранение заряда означает, что общее количество электрического заряда (положительный заряд минус отрицательный заряд) остается неизменным для системы. Сохранение заряда позволяет физикам и инженерам рассчитывать, сколько заряда перемещается между системами и их окружением.

Этот принцип позволяет ученым и инженерам создавать клетки Фарадея, которые используют металлические экраны или покрытие, чтобы предотвратить утечку заряда. Клетки Фарадея или щиты Фарадея используют тенденцию электрического поля перераспределять заряды в материале, чтобы нейтрализовать влияние поля и предотвратить повреждение зарядов или проникновение внутрь. Они используются в медицинском оборудовании, таком как магнитно-резонансные томографы, для предотвращения искажения данных, а также в защитном оборудовании для электриков и линейных рабочих, работающих в опасных условиях.

Вы можете рассчитать чистый расход заряда для объема пространства, рассчитав общее количество поступающего заряда и вычтя общее количество оставленного заряда. Через электроны и протоны, которые несут заряд, заряженные частицы могут быть созданы или разрушены, чтобы уравновесить себя в соответствии с сохранением заряда.

Количество электронов в заряде

Зная, что заряд электрона равен -1,602 × 10 ⁻¹⁹ С, заряд −8 × 10 ⁻¹⁸ С будет состоять из 50 электронов. Вы можете найти это, разделив количество электрического заряда на величину заряда одного электрона.

Расчет электрического заряда в цепях

Если вы знаете электрический ток, поток электрического заряда через объект, проходящий через цепь и как долго ток применяется, вы можете рассчитать электрический заряд, используя уравнение для тока Q = Это в котором Q общий заряд, измеренный в кулонах, я ток в амперах, и T время применения тока в секундах. Вы также можете использовать закон Ома (В = инфракрасный) рассчитать ток по напряжению и сопротивлению.

Для цепи с напряжением 3 В и сопротивлением 5 Ом, которое подается в течение 10 секунд, соответствующий соответствующий ток равен я = В / р = 3 В / 5 Ом = 0,6 А, и общий заряд будет Q = Это = 0,6 A × 10 с = 6 с.

Если вы знаете разницу потенциалов (В) в вольтах, приложенных в цепи и работе (W) в джоулях за период, в который он был применен, заряд в кулонах, Q = W / В.

Формула электрического поля

••• Сайед Хуссейн Атер

Электрическое полеэлектрическая сила на единицу заряда распространяется радиально наружу от положительных зарядов к отрицательным зарядам и может быть рассчитана с Е = F_Е / Q, в котором F_Е это электрическая сила и Q это заряд, который производит электрическое поле. Учитывая, как фундаментальное поле и сила относятся к вычислениям в электричестве и магнетизме, электрический заряд может быть определен как свойство вещества, которое заставляет частицу иметь силу в присутствии электрического поля.

Даже если чистый или общий заряд на объекте равен нулю, электрические поля позволяют распределять заряды различными способами внутри объектов. Если в них есть распределения заряда, которые приводят к ненулевому чистому заряду, эти объекты поляризованныйи заряд, который вызывают эти поляризации, известны как связанные обвинения.

Чистый заряд Вселенной

Хотя ученые не все согласны с тем, каков общий заряд Вселенной, они сделали обоснованные предположения и проверили гипотезы с помощью различных методов. Вы можете заметить, что гравитация является доминирующей силой во вселенной в космологическом масштабе, и, поскольку электромагнитная сила намного сильнее, чем гравитационная сила, если бы во вселенной был чистый заряд (положительный или отрицательный), вы могли бы увидеть доказательства этого на таких огромных расстояниях. Отсутствие этого свидетельства привело исследователей к мысли, что вселенная заряжена нейтрально.

Независимо от того, была ли вселенная всегда нейтральной по отношению к заряду, или как изменился заряд вселенной после Большого взрыва, это также вопросы, которые предстоит обсудить. Если бы у Вселенной был чистый заряд, то ученые должны были бы измерить их тенденции и воздействия на все линии электрического поля таким образом, чтобы вместо соединения от положительных зарядов до отрицательных зарядов они никогда не заканчивались. Отсутствие этого наблюдения также указывает на аргумент, что у вселенной нет чистого заряда.

Расчет электрического потока с зарядом

••• Сайед Хуссейн Атер

электрический поток через плоскую (то есть плоскую) область электрического поля Е поле, умноженное на компонент площади, перпендикулярной полю. Чтобы получить этот перпендикулярный компонент, вы используете косинус угла между полем и интересующей плоскостью в формуле для потока, представленной Φ = EA соз (θ), где θ это угол между линией, перпендикулярной области, и направлением электрического поля.

Это уравнение, известное как Закон Гауссатакже говорит вам, что для поверхностей, подобных этим, которые вы называете Гауссовские поверхностилюбой чистый заряд будет находиться на его поверхности плоскости, потому что это будет необходимо для создания электрического поля.

Поскольку это зависит от геометрии площади поверхности, используемой при расчете флюса, она варьируется в зависимости от формы. Для круглой области, площадь потока будет π_r_² с участием р как радиус круга, или для изогнутой поверхности цилиндра площадь потока будет Ch в котором С окружность круглой поверхности цилиндра и час высота цилиндров.

Заряд и статическое электричество

Статичное электричество возникает, когда два объекта не находятся в электрическом равновесии (или электростатическое равновесие) или что существует чистый поток зарядов от одного объекта к другому. Когда материалы натираются друг на друга, они переносят обвинения между собой. Втирание носков в ковер или резиновый шарик на волосах может привести к появлению этих форм электричества. Шок переносит эти избыточные заряды обратно, чтобы восстановить состояние равновесия.

Электрические проводники

Для проводник (материал, который передает электричество) в электростатическом равновесии, электрическое поле внутри равно нулю, и суммарный заряд на его поверхности должен оставаться в электростатическом равновесии. Это потому, что, если бы существовало поле, электроны в проводнике перераспределялись или перестраивались в ответ на поле. Таким образом, они отменят любое поле в тот момент, когда оно будет создано.

Алюминиевый и медный провод являются распространенными проводящими материалами, используемыми для передачи токов, и часто используются также ионные проводники, которые представляют собой решения, в которых используются свободно плавающие ионы, позволяющие легко протекать заряду. ПолупроводникиНапример, микросхемы, которые обеспечивают работу компьютеров, также используют свободно циркулирующие электроны, но не так много, как проводники. Полупроводники, такие как кремний и германий, также требуют больше энергии для циркуляции зарядов и, как правило, имеют низкую проводимость. В отличие от изоляторы такие как древесина не позволяют заряду течь легко через них.

Без поля внутри, для гауссовой поверхности, которая лежит непосредственно внутри поверхности проводника, поле должно быть нулевым везде, чтобы поток был равен нулю. Это означает, что нет никакого электрического заряда внутри проводника. Отсюда можно сделать вывод, что для симметричных геометрических структур, таких как сферы, заряд равномерно распределяется на поверхности гауссовой поверхности.

Закон Гаусса в других ситуациях

Поскольку суммарный заряд на поверхности должен оставаться в электростатическом равновесии, любое электрическое поле должно быть перпендикулярно поверхности проводника, чтобы материал мог передавать заряды. Закон Гаусса позволяет рассчитать величину этого электрического поля и потока для проводника. Электрическое поле внутри проводника должно быть равно нулю, а снаружи оно должно быть перпендикулярно поверхности.

Это означает, что для цилиндрического проводника с полем, излучаемым от стенок под перпендикулярным углом, суммарный поток просто равен 2_E__πr_² для электрического поля Е а также р радиус круговой грани цилиндрического проводника. Вы также можете описать чистый заряд на поверхности, используя σ, плотность заряда за единицу площади, умноженную на площадь.