Hur man beräknar elladdning

Innehåll

• Formel för elektrisk laddning
• Elektrisk laddning och tyngdkraft: Likheter
• Bevarande av elladdning
• Antalet elektroner i en avgift
• Beräkna elladdning i kretsar
• Formel för elektriskt fält
• Universumets nettladdning
• Beräkning av elektriskt flöde med laddning
• Laddning och statisk elektricitet
• Elektriska ledare
• Gausss lag i andra situationer

Oavsett om det är statisk elektricitet som avges av en päls eller en el som driver tv-apparater kan du lära dig mer om elektrisk laddning genom att förstå den underliggande fysiken. Metoderna för att beräkna laddningen beror på själva elens natur, till exempel principer för hur laddningen distribuerar sig genom objekt. Dessa principer är desamma oavsett var du är i universum, vilket gör elektrisk laddning till en grundläggande egenskap för vetenskapen själv.

Formel för elektrisk laddning

Det finns många sätt att beräkna elektrisk laddning för olika nackdelar inom fysik och elektroteknik.

Coulombs lag används vanligtvis vid beräkning av kraften som härrör från partiklar som bär elektrisk laddning och är en av de vanligaste elektriska laddningsekvationerna du kommer att använda. Elektroner bär individuella laddningar på -1602 × 10^-19 coulombs (C) och protoner har samma mängd, men i positiv riktning, 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. För två avgifter q₁ och q₂ _ som är separerade med ett avstånd _r, du kan beräkna den elektriska kraften F_E genereras med Coulombs lag:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

i vilken k är en konstant k = 9.0 × 10 ⁹ nm² / C². Fysiker och ingenjörer använder ibland variabeln e för att hänvisa till laddningen för en elektron.

Observera att krafterna för laddningar av motsatta skyltar (plus och minus) är negativa och därför attraktiva mellan de två laddningarna. För två laddningar av samma skylt (plus och plus eller minus och minus) är kraften avvisande. Ju större laddningarna är, desto starkare är den attraktiva eller avvisande kraften mellan dem.

Elektrisk laddning och tyngdkraft: Likheter

Coulombs lag har slående likhet med Newtons lag för gravitationskraft F_{G ​} = G m₁m₂ / r² för gravitationskraft F_G, massor m₁och m₂och gravitationskonstant G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². De mäter båda olika krafter, varierar med större massa eller laddning och beror på radien mellan båda föremålen till den andra kraften. Trots likheterna är det viktigt att komma ihåg gravitationskrafter alltid attraktiva medan elektriska krafter kan vara attraktiva eller avvisande.

Du bör också notera att den elektriska kraften i allmänhet är mycket starkare än tyngdkraften baserat på skillnaderna i exponentiell kraft hos lagarna. Likheterna mellan dessa två lagar är en större indikation på symmetri och mönster bland universella lagar i universum.

Bevarande av elladdning

Om ett system förblir isolerat (dvs utan kontakt med något annat utanför det) kommer det att spara laddning. Bevarande av avgift betyder att den totala mängden elektrisk laddning (positiv laddning minus negativ laddning) förblir densamma för systemet. Bevarande av laddning låter fysiker och ingenjörer beräkna hur mycket laddning som rör sig mellan system och deras omgivningar.

Denna princip låter forskare och ingenjörer skapa Faraday-burar som använder metallsköldar eller beläggningar för att förhindra att laddningen flyr ut. Faraday-burar eller Faraday-skärmar använder en elektrisk fält som tenderar att återfördela laddningar i materialet för att avbryta fältets effekt och förhindra att laddningarna skadar eller kommer in i interiören. Dessa används i medicinsk utrustning såsom magnetiska resonansavbildningsmaskiner, för att förhindra att data distorseras och i skyddsutrustning för elektriker och linjemän som arbetar i farliga miljöer.

Du kan beräkna nettoladdflödet för en volym utrymme genom att beräkna det totala laddningsbeloppet som matas in och subtrahera det totala laddningsbeloppet. Genom elektroner och protoner som bär laddning kan laddade partiklar skapas eller förstöras för att balansera sig själva enligt bevarandet av laddningen.

Antalet elektroner i en avgift

Att veta att laddningen för en elektron är -1602 × 10 ⁻¹⁹ C, en laddning av −8 × 10 ⁻¹⁸ C skulle bestå av 50 elektroner. Du kan hitta detta genom att dela mängden elektrisk laddning med storleken på laddningen för en enda elektron.

Beräkna elladdning i kretsar

Om du känner till elektrisk ström, flödet av elektrisk laddning genom ett objekt, reser genom en krets och hur länge strömmen appliceras, kan du beräkna elektrisk laddning med hjälp av ekvationen för ström Q = Det i vilken Q är den totala laddningen uppmätt i coulombs, jag är aktuell i ampere, och t är tiden att strömmen appliceras på sekunder. Du kan också använda Ohms-lagen (V = IR) för att beräkna ström från spänning och motstånd.

För en krets med spänning 3 V och motstånd 5 Ω som appliceras i 10 sekunder är motsvarande ström som resulterar jag = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, och den totala laddningen skulle vara Q = It = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Om du känner till den potentiella skillnaden (V) i volt anbringade i en krets och arbetet (W) i joule gjort under den period som den appliceras, laddningen i coulombs, Q = W / V.

Formel för elektriskt fält

••• Syed Hussain Ather

Elektriskt fält, den elektriska kraften per enhetsladdning, sprider sig radiellt utåt från positiva laddningar mot negativa laddningar och kan beräknas med E = F_E / q, i vilken F_E är den elektriska kraften och q är den laddning som producerar det elektriska fältet. Med tanke på hur grundläggande fält och kraft är för beräkningar i elektricitet och magnetism kan elektrisk laddning definieras som egenskapen hos materia som får en partikel att ha en kraft i närvaro av ett elektriskt fält.

Även om nettot, eller den totala laddningen på ett objekt är noll, tillåter elektriska fält laddningar att fördelas på olika sätt inuti föremål. Om det finns laddningsfördelningar inom dem som resulterar i en nettoladdning utan noll är dessa objekt polariserad, och den kostnad som dessa polariseringar orsakar kallas bundna avgifter.

Universumets nettladdning

Även om forskare inte är överens om universums totala laddning, har de gjort utbildade gissningar och testat hypoteser med olika metoder. Du kanske observerar att tyngdkraften är den dominerande kraften i universum på den kosmologiska skalan, och eftersom den elektromagnetiska kraften är mycket starkare än gravitationskraften, om universumet hade en nettoladdning (antingen positiv eller negativ), då skulle du kunna se bevis på det på så stora avstånd. Avsaknaden av detta bevis har fått forskare att tro att universum är laddningsneutralt.

Oavsett om universum alltid har varit laddningsneutralt eller hur universums laddning har förändrats sedan olyckan är också frågor som diskuteras. Om universum hade en nettoladdning, skulle forskare kunna mäta sina tendenser och effekter på alla elektriska fältlinjer på ett sådant sätt att de i stället för att ansluta från positiva laddningar till negativa laddningar aldrig skulle sluta. Avsaknaden av denna observation pekar också på argumentet att universum inte har någon nettoladdning.

Beräkning av elektriskt flöde med laddning

••• Syed Hussain Ather

De elektriskt flöde genom ett plant (dvs plant) område EN av ett elektriskt fält E är fältet multiplicerat med komponenten i området vinkelrätt mot fältet. För att få denna vinkelräta komponent använder du kosinus för vinkeln mellan fältet och det intressanta planet i formeln för flöde, representerad av Φ = EA cos (θ), var θ är vinkeln mellan linjen vinkelrätt mot området och det elektriska fältets riktning.

Denna ekvation, känd som Gausss lag, säger också att för ytor som dessa, som du kallar Gaussiska ytor, någon nettoladdning skulle ligga på planets yta eftersom det skulle vara nödvändigt att skapa det elektriska fältet.

Eftersom detta beror på geometri för ytan som används vid beräkning av flöde, varierar det beroende på formen. För ett cirkulärt område, flödesområdet EN skulle vara π_r_² med r som cirkelns radie, eller för den krökta ytan på en cylinder, skulle flödesområdet vara ch i vilken C är den cirkulära cylinderytans omkrets och h är cylinderns höjd.

Laddning och statisk elektricitet

Statisk elektricitet framträder när två föremål inte är i elektrisk jämvikt (eller elektrostatisk jämvikt), eller att det finns ett nettoflöde av laddningar från ett objekt till ett annat. När material gnuggar mot varandra överför de laddningar mellan varandra. Att gnugga strumpor på en matta eller gummit i en uppblåst ballong på håret kan generera dessa former av elektricitet. Chocken överför dessa överskottsavgifter för att återupprätta ett jämviktstillstånd.

Elektriska ledare

För en dirigent (ett material som överför elektricitet) i elektrostatisk jämvikt, det elektriska fältet inuti är noll och nettoladdningen på dess yta måste förbli vid elektrostatisk jämvikt. Detta beror på att om det fanns ett fält skulle elektronerna i ledaren återfördela eller justera sig igen som svar på fältet. På detta sätt avbryter de valfritt fält direkt när det skapades.

Aluminium- och koppartråd är vanliga ledarmaterial som används för att överföra strömmar, och jonledare används också ofta, som är lösningar som använder fritt flytande joner för att låta laddning strömma lätt genom. Halvledare, som chips som låter datorer fungera, använder också fritt cirkulerande elektroner, men inte så många som ledare gör. Halvledare som kisel och germanium kräver också mer energi för att låta laddningar cirkulera och generellt sett har låg konduktivitet. Däremot isolatorer som trä låter inte laddningen rinna lätt genom dem.

Med inget fält inuti, för en Gauss-yta som ligger precis inuti ledarens yta, måste fältet vara noll överallt så att flödet är noll. Det betyder att det inte finns någon elektrisk nettoladd i ledaren. Från detta kan du dra slutsatsen att laddningen för symmetriska geometriska strukturer såsom sfärer fördelar sig jämnt på ytan av den gaussiska ytan.

Gausss lag i andra situationer

Eftersom nettoladdningen på en yta måste förbli i elektrostatisk jämvikt måste varje elektriskt fält vara vinkelrätt mot ytan på en ledare för att materialet ska kunna sända laddningar. Gausss lag låter dig beräkna storleken på detta elektriska fält och flöde för ledaren. Det elektriska fältet inuti en ledare måste vara noll och utanför måste det vara vinkelrätt mot ytan.

Detta innebär att för en cylindrisk ledare med fält som strålar från väggarna i en vinkelrätt vinkel är totalflödet helt enkelt 2_E__πr_² för ett elektriskt fält E och r radie för den cylindriska ledarens cirkulära yta. Du kan också beskriva nettoladdningen på ytan med σ, laddningstäthet per enhetsareal, multiplicerat med området.