Hvordan beregne elektrisk ladning

Innhold

• Formel for elektrisk ladning
• Elektrisk ladning og tyngdekraft: Likheter
• Bevaring av elektrisk ladning
• Antall elektroner i et gebyr
• Beregning av elektrisk ladning i kretser
• Elektrisk feltformel
• Universets nettladning
• Beregning av elektrisk strøm med avgift
• Lading og statisk elektrisitet
• Elektriske ledere
• Gausss lov i andre situasjoner

Enten det er statisk elektrisitet gitt av en pelsfrakk eller elektrisitet som driver tv-apparater, kan du lære mer om elektrisk lading ved å forstå den underliggende fysikken. Metodene for å beregne ladning avhenger av selve elektrisitetens art, for eksempel prinsipper for hvordan ladningen fordeler seg gjennom objekter. Disse prinsippene er de samme uansett hvor du er i universet, noe som gjør elektrisk ladning til en grunnleggende egenskap for vitenskapen selv.

Formel for elektrisk ladning

Det er mange måter å beregne på elektrisk ladning for forskjellige ulemper innen fysikk og elektroteknikk.

Coulombs lov brukes vanligvis når du beregner kraften som kommer fra partikler som har elektrisk ladning, og er en av de vanligste elektriske ladningslikningene du vil bruke. Elektroner har individuelle ladninger på -1602 × 10^-19 coulombs (C), og protoner har samme mengde, men i positiv retning, 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. For to siktelser q₁ og q₂ _ som er atskilt med en avstand _r, du kan beregne den elektriske kraften F_E generert ved hjelp av Coulombs lov:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

der k er en konstant k = 9.0 × 10 ⁹ nm² / C². Fysikere og ingeniører bruker noen ganger variabelen e for å referere til ladningen til et elektron.

Vær oppmerksom på at for ladninger av motsatte tegn (pluss og minus) er kraften negativ og derfor attraktiv mellom de to ladningene. For to ladninger med samme skilt (pluss og pluss eller minus og minus) er kraften avvisende. Jo større ladningene er, jo sterkere er den attraktive eller frastøtende kraften mellom dem.

Elektrisk ladning og tyngdekraft: Likheter

Coulombs lov har en påfallende likhet med Newtons lov for tyngdekraft F_{G ​} = G m₁m₂ / r² for tyngdekraft F_G, masser m₁og m₂, og gravitasjonskonstant G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². De måler forskjellige krefter, varierer med større masse eller ladning og er avhengig av radius mellom begge objektene til den andre kraften. Til tross for likhetene, er det viktig å huske gravitasjonskrefter alltid attraktive mens elektriske krefter kan være attraktive eller frastøtende.

Du må også merke deg at den elektriske kraften generelt er mye sterkere enn tyngdekraften, basert på forskjellene i eksponentiell kraft til lovene. Likhetene mellom disse to lovene er en større indikasjon på symmetri og mønstre blant vanlige lover i universet.

Bevaring av elektrisk ladning

Hvis et system forblir isolert (dvs. uten kontakt med noe annet utenfor det), vil det spare lading. Bevaring av kostnad betyr at den totale mengden elektrisk ladning (positiv ladning minus negativ ladning) forblir den samme for systemet. Bevaring av lading lar fysikere og ingeniører beregne hvor mye ladning som beveger seg mellom systemer og omgivelsene.

Dette prinsippet lar forskere og ingeniører lage Faraday-bur som bruker metallskjold eller belegg for å forhindre at lading slipper ut. Faraday-bur eller Faraday-skjold bruker en elektrisk felt som har en tendens til å fordele ladninger på nytt i materialet for å avbryte effekten av feltet og forhindre at ladningene skader eller kommer inn i interiøret. Disse brukes i medisinsk utstyr som for eksempel bildemaskiner for magnetisk resonans, for å forhindre at data blir forvrengt, og i verneutstyr for elektrikere og linjemenn som arbeider i farlige miljøer.

Du kan beregne netto ladningsstrøm for et volum med plass ved å beregne det totale beløpet som lades inn og trekke fra det totale beløpet som blir igjen. Gjennom elektroner og protoner som fører ladning, kan ladede partikler opprettes eller ødelegges for å balansere seg ut i henhold til bevaring av ladningen.

Antall elektroner i et gebyr

Å vite at ladningen til et elektron er -1602 × 10 ⁻¹⁹ C, en ladning på −8 × 10 ⁻¹⁸ C ville være sammensatt av 50 elektroner. Du kan finne dette ved å dele mengden elektrisk ladning med størrelsen på ladningen til et enkelt elektron.

Beregning av elektrisk ladning i kretser

Hvis du kjenner elektrisk strøm, strømmen av elektrisk ladning gjennom et objekt, reiser gjennom en krets og hvor lenge strømmen påføres, kan du beregne elektrisk ladning ved å bruke ligningen for strøm Q = Den der Q er den totale ladningen målt i coulombs, Jeg er gjeldende i ampere, og t er på tide at strømmen brukes på sekunder. Du kan også bruke Ohms-loven (V = IR) for å beregne strøm fra spenning og motstand.

For en krets med spenning 3 V og motstand 5 Ω som påføres i 10 sekunder, er den tilsvarende strømmen som blir resultatet Jeg = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, og den totale ladningen vil være Q = Det = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Hvis du vet potensialforskjellen (V) i volt brukt i en krets og arbeidet (W) i joules gjort i løpet av den perioden den brukes, ladningen i coulombs, Q = W / V.

Elektrisk feltformel

••• Syed Hussain Ather

Elektrisk felt, den elektriske kraften per ladningsenhet, sprer seg radialt utover fra positive ladninger mot negative ladninger og kan beregnes med E = F_E / q, der F_E er den elektriske kraften og q er ladningen som produserer det elektriske feltet. Gitt hvor grunnleggende felt og kraft er for beregninger i elektrisitet og magnetisme, kan elektrisk ladning defineres som egenskapen til materie som får en partikkel til å ha en kraft i nærvær av et elektrisk felt.

Selv om nettet, eller den totale ladningen på et objekt er null, tillater elektriske felt å fordele ladninger på forskjellige måter inne i objekter. Hvis det er ladefordelinger i dem som resulterer i en netto belastning uten null, er disse objektene polarisert, og siktelsen som disse polariseringene forårsaker, er kjent som bundne avgifter.

Universets nettladning

Selv om forskere ikke alle er enige om hva universets totale ladning har, har de laget utdannede gjetninger og testet hypoteser gjennom forskjellige metoder. Du kan se at tyngdekraften er den dominerende kraften i universet på den kosmologiske skalaen, og fordi den elektromagnetiske kraften er mye sterkere enn gravitasjonskraften, hvis universet hadde en nettoladning (enten positiv eller negativ), vil du kunne se bevis på det på så store avstander. Fraværet av dette beviset har fått forskere til å tro at universet er ladningsnøytralt.

Hvorvidt universet alltid har vært ladningsnøytralt eller hvordan ladningen til universet har endret seg siden big bang, er også spørsmål som er opp til debatt. Hvis universet hadde en nettoladning, burde forskere kunne måle tendenser og effekter på alle elektriske feltlinjer på en slik måte at i stedet for å koble fra positive ladninger til negative ladninger, ville de aldri slutte. Fraværet av denne observasjonen peker også på argumentet om at universet ikke har noen nettoladning.

Beregning av elektrisk strøm med avgift

••• Syed Hussain Ather

De elektrisk strøm gjennom et plant (dvs. flatt) område EN av et elektrisk felt E er feltet multiplisert med komponenten i området vinkelrett på feltet. For å få denne vinkelrett komponenten bruker du kosinus for vinkelen mellom feltet og interesseplanet i formelen for flux, representert ved Φ = EA cos (θ), hvor θ er vinkelen mellom linjen vinkelrett på området og retningen til det elektriske feltet.

Denne ligningen, kjent som Gausss lov, forteller deg også at for overflater som disse, som du kaller Gaussiske overflater, vil enhver nettladning ligge på overflaten av planet fordi det ville være nødvendig å lage det elektriske feltet.

Fordi dette avhenger av geometrien til området av overflaten som brukes til å beregne fluks, varierer det avhengig av form. For et sirkulært område, fluksområdet EN ville være π_r_² med r som sirkelens radius, eller for den buede overflaten til en sylinder, vil fluksområdet være Ch der C er omkretsen til den sirkulære sylinderflaten og h er sylindrene høyde.

Lading og statisk elektrisitet

Statisk elektrisitet dukker opp når to objekter ikke er i elektrisk likevekt (eller elektrostatisk likevekt), eller at det er en nettoflyt av ladninger fra et objekt til et annet. Når materialer gnir opp mot hverandre, overfører de ladninger mellom hverandre. Gni sokker på et teppe eller gummien til en oppblåst ballong på håret ditt kan generere disse formene for strøm. Sjokket overfører disse overskytende ladningene tilbake for å gjenopprette en likevektstilstand.

Elektriske ledere

For en dirigent (et materiale som overfører elektrisitet) i elektrostatisk likevekt, det elektriske feltet inne er null og nettoladningen på overflaten må forbli ved elektrostatisk likevekt. Dette er fordi, hvis det var et felt, ville elektronene i lederen distribuere seg eller justere seg på nytt som svar på feltet. På denne måten vil de avbryte et hvilket som helst felt øyeblikkelig det ble opprettet.

Aluminium og kobbertråd er vanlige ledermaterialer som brukes til å overføre strømmer, og ioneledere blir også ofte brukt, som er løsninger som bruker fritt flytende ioner for å la ladningen strømme gjennom. Halvledere, for eksempel brikkene som lar datamaskiner fungere, bruker også fritt sirkulerende elektroner, men ikke så mange som ledere gjør. Halvledere som silisium og germanium krever også mer energi for å la ladningene sirkulere og generelt ha lave konduktiviteter. Derimot isolatorer slik som tre, la ikke ladningen flyte lett gjennom dem.

Uten å ha noe felt inni, for en Gauss-overflate som ligger rett innenfor overflaten av lederen, må feltet være null overalt slik at fluksen er null. Dette betyr at det ikke er noen elektrisk nettladning inne i lederen. Fra dette kan du utlede at ladningen fordeler seg jevnt på overflaten av den Gaussiske overflaten for symmetriske geometriske strukturer som kuler.

Gausss lov i andre situasjoner

Fordi nettoladningen på en overflate må forbli i elektrostatisk likevekt, må ethvert elektrisk felt være vinkelrett på overflaten til en leder for å la materialet overføre ladninger. Gausss lov lar deg beregne størrelsen på dette elektriske feltet og fluksen for lederen. Det elektriske feltet inne i en leder må være null, og utenfor må det være vinkelrett på overflaten.

Dette betyr, for en sylindrisk leder med felt som stråler fra veggene i en vinkelrett vinkel, er den totale fluksen ganske enkelt 2_E__πr_² for et elektrisk felt E og r radius av sirkulærflaten til den sylindriske lederen. Du kan også beskrive nettoladningen på overflaten ved hjelp av σ, den ladetetthet per enhetsareal multiplisert med området.