Cum se calculează sarcina electrică

Conţinut

• Formula de încărcare electrică
• Încărcarea electrică și gravitația: asemănări
• Conservarea încărcăturii electrice
• Numărul de electroni în sarcină
• Calcularea sarcinii electrice în circuite
• Formula câmpului electric
• Încărcarea netă a Universului
• Calcularea fluxului electric cu sarcină
• Încărcare și electricitate statică
• Conductoare electrice
• Legea Gausss în alte situații

Indiferent dacă energia electrică statică este oferită de o haină de blană sau de electricitatea care alimentează televizoarele, puteți afla mai multe despre încărcarea electrică înțelegând fizica care stă la baza. Metodele de calculare a sarcinii depind de natura electricității în sine, cum ar fi principiile modului în care sarcina se distribuie prin obiecte. Aceste principii sunt aceleași indiferent de locul în care vă aflați în univers, făcând din sarcina electrică o proprietate fundamentală a științei însăși.

Formula de încărcare electrică

Există multe modalități de calcul incarcare electrica pentru diverse contra în fizică și inginerie electrică.

Legea Coulombs este utilizat în general la calcularea forței rezultate din particulele care poartă sarcină electrică și este una dintre cele mai comune ecuații de sarcină electrică pe care le veți folosi. Electronii poartă sarcini individuale de -1602 × 10^-19 coulombele (C) și protonii poartă aceeași cantitate, dar în direcția pozitivă, 1.602 × 10 ⁻¹⁹ C. Pentru două acuzații q₁ și q₂ _sunt separate de o distanță _r, puteți calcula forța electrică F_E generate folosind legea Coulombs:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

in care k este o constantă k = 9.0 × 10 ⁹ nm² / C². Fizicienii și inginerii folosesc uneori variabila e pentru a se referi la încărcarea unui electron.

Rețineți că, pentru taxele cu semne opuse (plus și minus), forța este negativă și, prin urmare, atractivă între cele două sarcini. Pentru două acuzații cu același semn (plus și plus sau minus și minus), forța este respingătoare. Cu cât sarcinile sunt mai mari, cu atât forța atrăgătoare sau repulsivă este mai puternică.

Încărcarea electrică și gravitația: asemănări

Legea Coulombs are o asemănare izbitoare cu legea Newton pentru forța gravitațională F_{G ​} = G m₁m₂ / r² pentru forța gravitațională F_G, mase m₁și m₂, și constantă gravitațională G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Ambele măsoară forțe diferite, variază cu masă sau încărcare mai mare și depind de raza dintre ambele obiecte până la a doua putere. În ciuda asemănărilor, este important să ne amintim forțele gravitaționale sunt întotdeauna atractive, în timp ce forțele electrice pot fi atrăgătoare sau respingătoare.

De asemenea, trebuie să rețineți că forța electrică este, în general, mult mai puternică decât gravitația, bazată pe diferențele de putere exponențială a constantelor legilor. Asemănările dintre aceste două legi sunt un indiciu mai mare de simetrie și modele între legile comune ale universului.

Conservarea încărcăturii electrice

Dacă un sistem rămâne izolat (adică fără contact cu altceva în afara lui), acesta va economisi taxa. Conservarea taxei înseamnă că cantitatea totală de încărcare electrică (sarcină pozitivă minus încărcare negativă) rămâne aceeași pentru sistem. Conservarea taxei permite fizicienilor și inginerilor să calculeze cât de mult se mișcă sarcina între sisteme și împrejurimi.

Acest principiu permite oamenilor de știință și inginerilor să creeze cuști Faraday care folosesc scuturi metalice sau acoperiri pentru a preveni scăparea taxelor. Cuștile Faraday sau scuturile Faraday folosesc o tendință de câmpuri electrice de a re-distribui taxele în material pentru a anula efectul câmpului și pentru a preveni vătămarea sau intrarea în interior. Acestea sunt utilizate în echipamentele medicale, precum mașinile de imagistică prin rezonanță magnetică, pentru a preveni distorsionarea datelor și în echipamentele de protecție pentru electricieni și linieni care lucrează în medii periculoase.

Puteți calcula fluxul net de încărcare pentru un volum de spațiu, calculând cantitatea totală de încărcare care intră și scade suma totală a taxei. Prin electroni și protoni care poartă sarcină, particulele încărcate pot fi create sau distruse pentru a se echilibra în funcție de conservarea sarcinii.

Numărul de electroni în sarcină

Știind că sarcina unui electron este −1.602 × 10 ⁻¹⁹ C, o taxă de −8 × 10 ⁻¹⁸ C ar fi compus din 50 de electroni. Puteți găsi acest lucru împărțind cantitatea de încărcare electrică la mărimea încărcării unui singur electron.

Calcularea sarcinii electrice în circuite

Dacă știți curent electric, fluxul de sarcină electrică printr-un obiect, care circulă printr-un circuit și cât timp este aplicat curentul, puteți calcula sarcina electrică folosind ecuația pentru curent Q = Aceasta in care Q este taxa totală măsurată în culombe, eu este curent în amperi și T este timpul ca curentul să fie aplicat în câteva secunde. Puteți folosi și legea Ohms (V = IR) pentru a calcula curentul din tensiune și rezistență.

Pentru un circuit cu tensiunea de 3 V și rezistența de 5 Ω care se aplică timp de 10 secunde, curentul corespunzător rezultă eu = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, iar sarcina totală ar fi Q = It = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Dacă știți diferența de potențial (V) în volți aplicat într-un circuit și în lucru (W) în joule efectuate în perioada în care se aplică, taxa în coulombe, Q = W / V.

Formula câmpului electric

••• Syed Hussain Ather

Câmp electric, forța electrică pe unitatea de încărcare, se răspândește radial în afară de sarcinile pozitive către sarcini negative și poate fi calculată cu E = F_E / q, in care F_E este forța electrică și q este sarcina care produce câmpul electric. Având în vedere cât de câmp și forță fundamentale sunt calculele în electricitate și magnetism, sarcina electrică poate fi definită drept proprietatea materiei care determină o particulă să aibă o forță în prezența unui câmp electric.

Chiar dacă încărcarea netă sau totală a unui obiect este zero, câmpurile electrice permit distribuirea încărcărilor în diferite maniere în interiorul obiectelor. Dacă există distribuții de taxe în interiorul acestora care au ca rezultat o încărcare netă nulă, aceste obiecte sunt polarizatși încărcarea pe care o provoacă aceste polarizări sunt cunoscute ca fiind taxele legate.

Încărcarea netă a Universului

Deși oamenii de știință nu sunt cu toții de acord cu privire la încărcarea totală a universului, ei au făcut ghiciri educate și au testat ipoteze prin diferite metode. Puteți observa că gravitația este forța dominantă în univers pe scară cosmologică și, deoarece forța electromagnetică este mult mai puternică decât forța gravitațională, dacă universul ar avea o sarcină netă (pozitivă sau negativă), atunci veți putea să vezi dovezi despre aceasta la distanțe atât de uriașe. Lipsa acestei dovezi i-a determinat pe cercetători să creadă că universul este neutru.

Dacă universul a fost întotdeauna neutru de sarcină sau modul în care sarcina universului s-a schimbat de la big bang sunt, de asemenea, întrebări care urmează să fie dezbătute. Dacă universul ar avea o taxă netă, oamenii de știință ar trebui să poată măsura tendințele și efectele lor asupra tuturor liniilor de câmp electric într-un mod astfel încât, în loc să se conecteze de la sarcini pozitive la sarcini negative, nu s-ar încheia niciodată. Absența acestei observații indică, de asemenea, argumentul că universul nu are nicio taxă netă.

Calcularea fluxului electric cu sarcină

••• Syed Hussain Ather

flux electric printr-o zonă plană (adică plată) A a unui câmp electric E este câmpul înmulțit cu componenta zonei perpendicular pe câmp. Pentru a obține această componentă perpendiculară, utilizați cosinusul unghiului dintre câmp și planul de interes în formula de flux, reprezentată de Φ = EA cos (θ), Unde θ este unghiul dintre linia perpendiculară pe zonă și direcția câmpului electric.

Această ecuație, cunoscută sub numele de Legea Gausss, vă spune, de asemenea, că pentru suprafețe precum acestea, pe care le numiți Suprafețele Gaussiene, orice încărcare netă ar rezida pe suprafața sa a avionului, deoarece ar fi necesară crearea câmpului electric.

Deoarece acest lucru depinde de geometria zonei suprafeței utilizate în calculul fluxului, aceasta variază în funcție de formă. Pentru o zonă circulară, zona de flux A ar fi π_r_² cu r ca raza cercului, sau pentru suprafața curbată a unui cilindru, zona de flux ar fi Ch in care C este circumferința feței cilindrice circulare și h este înălțimea cilindrilor.

Încărcare și electricitate statică

Electricitate statica apare atunci când două obiecte nu sunt la echilibru electric (sau echilibru electrostatic), sau, că există un flux net de sarcini de la un obiect la altul. Pe măsură ce materialele se freacă una de cealaltă, se transferă sarcinile între ele. Frecarea șosetelor pe un covor sau cauciucul unui balon umflat pe păr poate genera aceste forme de electricitate. Șocul transferă aceste sarcini în exces pentru a restabili starea de echilibru.

Conductoare electrice

Pentru o conductor (un material care transmite electricitate) în echilibru electrostatic, câmpul electric din interior este zero și încărcarea netă pe suprafața sa trebuie să rămână la echilibru electrostatic. Acest lucru se datorează faptului că, dacă ar exista un câmp, electronii din conductor s-ar re-distribui sau se re-aliniază ca răspuns la câmp. În acest fel, ei ar anula orice câmp în momentul în care va fi creat.

Firul de aluminiu și cupru sunt materiale conductoare obișnuite utilizate pentru a transmite curenți, iar conductoarele ionice sunt de asemenea deseori utilizate, care sunt soluții care folosesc ioni plutitori liber pentru a permite încărcarea să curgă ușor. Semi-conductori, cum ar fi cipurile care lasă calculatoarele să funcționeze, folosesc și electroni în circulație liberă, dar nu la fel de mulți ca și conductorii. Semiconductorii precum siliciul și germaniul necesită, de asemenea, mai multă energie pentru a permite încărcăturilor să circule și, în general, au conductivități scăzute. În contrast, izolatori cum ar fi lemnul nu lasă încărcarea să curgă ușor prin ele.

Fără câmp în interior, pentru o suprafață Gaussiană care se află chiar în interiorul suprafeței conductorului, câmpul trebuie să fie zero peste tot, astfel încât fluxul să fie zero. Aceasta înseamnă că nu există nicio sarcină electrică netă în conductor. Din aceasta, puteți deduce că, pentru structuri geometrice simetrice, cum ar fi sfere, încărcătura se distribuie uniform pe suprafața Gaussian.

Legea Gausss în alte situații

Deoarece sarcina netă pe o suprafață trebuie să rămână în echilibru electrostatic, orice câmp electric trebuie să fie perpendicular pe suprafața unui conductor pentru a permite materialului să transmită sarcini. Legea Gausss vă permite să calculați mărimea acestui câmp electric și flux pentru conductor. Câmpul electric din interiorul conductorului trebuie să fie zero, iar în exterior, acesta trebuie să fie perpendicular pe suprafață.

Aceasta înseamnă că, pentru un conductor cilindric cu câmp care radiază din pereți într-un unghi perpendicular, fluxul total este pur și simplu 2_E__πr_² pentru un câmp electric E și r raza feței circulare a conductorului cilindric. Puteți descrie, de asemenea, taxa netă pe suprafață folosind σ, densitatea sarcinii pe unitate de unitate, înmulțit cu suprafața.