Kuidas arvutada elektrilaengut

Sisu

• Elektrilaengu valem
• Elektrilaeng ja raskusaste: sarnasused
• Elektrilaengu säilimine
• Laengu elektronide arv
• Ahelate elektrilaengu arvutamine
• Elektrivälja valem
• Universumi netotasu
• Elektrivoolu arvutamine laadimisega
• Laetud ja staatiline elekter
• Elektrijuhid
• Gaassi seadus muudes olukordades

Ükskõik, kas tegemist on staatilise elektriga, mille eraldab karvane mantel, või teleritega töötavast elektrist, saate elektrilaengu kohta lisateavet selle füüsika mõistmisel. Laadimise arvutamise meetodid sõltuvad elektrienergia olemusest, näiteks põhimõtted, kuidas laeng jaotab ennast objektide kaudu. Need põhimõtted on samad, ükskõik kus te universumis viibite, muutes elektrilaengu teaduse enda põhiliseks omaduseks.

Elektrilaengu valem

Arvutamiseks on palju viise elektrilaeng mitmesugustele miinustele füüsikas ja elektrotehnikas.

Coulombide seadus Üldiselt kasutatakse elektrilaenguga osakestest tuleneva jõu arvutamisel ning see on üks kõige tavalisemaid elektrilaengu võrrandeid, mida kasutate. Elektronide individuaalsed laengud on -1602 × 10^-19 coulombs (C) ja prootonid kannavad sama palju, kuid positiivses suunas, 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. kahe tasu eest q₁ ja q₂ _ mis on eraldatud vahemaaga _r, saate arvutada elektrijõu F_E loodud Coulombsi seaduse järgi:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

milles k on konstant k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Füüsikud ja insenerid kasutavad mõnikord seda muutujat e tähistama elektroni laengut.

Pange tähele, et vastupidiste märkide (pluss ja miinus) laengute korral on jõud negatiivne ja seetõttu kahe laadimise vahel atraktiivne. Sama märgi kahe laadimise korral (pluss ja pluss või miinus ja miinus) on jõud tõrjuv. Mida suuremad on laengud, seda tugevam on nende vahel atraktiivne või tõrjuv jõud.

Elektrilaeng ja raskusaste: sarnasused

Coulombsi seadus on gravitatsioonijõu osas silmatorkavalt sarnane Newtoni seadusega F_{G ​} = G m₁m₂ / r² gravitatsioonijõu jaoks F_G, massid m₁ja m₂ja gravitatsioonikonstant G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Mõlemad mõõdavad erinevaid jõude, varieeruvad suurema massi või laenguga ja sõltuvad raadiust mõlema objekti vahel teise võimsuseni. Vaatamata sarnasustele on oluline meeles pidada, et gravitatsioonijõud on alati atraktiivsed, samas kui elektrijõud võivad olla atraktiivsed või tõrjuvad.

Samuti peaksite arvestama, et elektriline jõud on reeglina palju tugevam kui gravitatsioon, lähtudes seaduste konstandite eksponentsiaalse jõu erinevustest. Nende kahe seaduse sarnasused näitavad paremini sümmeetriat ja mustreid universumi tavaliste seaduste vahel.

Elektrilaengu säilimine

Kui süsteem jääb isoleerituks (s.o ilma kontaktidega millegi muuga väljaspool seda), säästab see laadimist. Tasu säilimine tähendab, et kogu elektrilaengu summa (positiivne laeng miinus negatiivne laeng) jääb süsteemi jaoks samaks. Laengu säilitamine võimaldab füüsikutel ja inseneridel arvutada, kui palju laeng liigub süsteemide ja nende ümbruse vahel.

See põhimõte laseb teadlastel ja inseneridel luua Faraday puurid, mis kasutavad metallkilpe või katteid, et vältida laengu väljapääsu. Faraday puurides või Faraday kaitsekilpides kasutatakse elektrivälju, mis kipuvad jaotama materjali materjale, et välistada välja mõju ja vältida laengute kahjustamist või sisenemist siseruumidesse. Neid kasutatakse meditsiiniseadmetes nagu magnetresonantskuvamismasinad andmete moonutamise vältimiseks ning ohtlikes keskkondades töötavate elektrikute ja liinimeeste kaitsevarustustes.

Ruumi mahu netotasu voo saab arvutada, arvutades sisenenud laenusumma ja lahutades lahutatud laengu kogusumma. Laengut kandvate elektronide ja prootonite kaudu saab laetud osakesi luua või hävitada, et tasakaalustuda vastavalt laengu säilimisele.

Laengu elektronide arv

Teades, et elektroni laeng on -1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, laeng −8 × 10 ⁻¹⁸ C koosneks 50 elektronist. Selle leiate, jagades elektrilaengu summa ühe elektroni laengu suurusega.

Ahelate elektrilaengu arvutamine

Kui teate elektrivool, elektrilaengu vool läbi objekti, läbiv vooluring ja kui kaua voolu rakendatakse, saate elektrilaengu arvutada voolu võrrandi abil Q = See milles Q on kulunõudes mõõdetud kogulaeng, Mina on vool amprites ja t on aeg, mille jooksul voolu rakendatakse sekundites. Võite kasutada ka Ohmi seadust (V = IR) voolu arvutamiseks pingest ja takistusest.

Ahela puhul, mille pinge on 3 V ja takistus 5 Ω, mida rakendatakse 10 sekundit, on vastav voolutugevus Mina = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A ja kogu laeng oleks Q = see = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Kui teate potentsiaalset erinevust (V) vooluahelas ja töös (W) džaulides, mis on tehtud ajavahemiku jooksul, mille jooksul seda rakendatakse, tasu kulinaarides, Q = W / V.

Elektrivälja valem

••• Syed Hussain Ather

Elektriväli, elektriline jõud laenguühiku kohta jaotub positiivsetest laengutest radiaalselt väljapoole negatiivsete laengute suunas ja seda saab arvutada E = F_E / q, milles F_E on elektriline jõud ja q on laeng, mis tekitab elektrivälja. Arvestades põhivälja ja jõu arvutusi elektri ja magnetilisuse osas, võib elektrilaengut määratleda kui materjali omadust, mis põhjustab osakese elektrivälja olemasolul jõu.

Isegi kui objekti netotasu või summaarne laeng on null, võimaldavad elektriväljad laetisi objektide sees jaotada erinevatel viisidel. Kui neis on laadijaotused, mille tulemuseks on nullist erinev võrgutasu, siis need objektid on polariseeritudja laengu, mida need polarisatsioonid põhjustavad, nimetatakse seotud tasud.

Universumi netotasu

Ehkki teadlased ei ole kõik ühel meelel selles, mis on universumi kogulaeng, on nad teinud haritud oletamisi ja testinud hüpoteese erinevate meetodite abil. Võite täheldada, et gravitatsioon on universumis domineeriv jõud kosmoloogilises mõõtkavas ja kuna elektromagnetiline jõud on palju tugevam kui gravitatsiooniline jõud, kui universumil oleks netolaeng (kas positiivne või negatiivne), siis peaksite suutma näha selle kohta tõendeid nii suurtest vahemaadest. Nende tõendite puudumise tõttu on teadlased uskunud, et universum on laengu suhtes neutraalne.

See, kas universum on alati olnud laengu suhtes neutraalne või kuidas universumi laeng on pärast suurt pauku muutunud, on ka arutlusel olevad küsimused. Kui universumil oleks netolaeng, siis peaksid teadlased suutma mõõta nende kalduvusi ja mõju kõikidele elektrivälja joontele viisil, et positiivsete laengute ja negatiivsete laengute vahel ühendamise asemel ei lõpe need kunagi. Selle vaatluse puudumine osutab ka argumendile, et universumil pole netotasu.

Elektrivoolu arvutamine laadimisega

••• Syed Hussain Ather

elektrivool läbi tasapinnalise (s.o tasase) ala A elektrivälja E on väli, mis on korrutatud väljaga risti oleva osa komponendiga. Selle risti asetseva komponendi saamiseks kasutate voogude valemis välja ja vaadeldava tasapinna vahelise nurga koosinuset: Φ = EA cos (θ), kus θ on nurk piirkonnaga risti oleva joone ja elektrivälja suuna vahel.

See võrrand, mida nimetatakse Gaassi seadus, ütleb teile ka seda, et selliste pindade jaoks, mida te nimetate Gaussi pinnad, oleks netolaeng selle tasapinnal, kuna oleks vaja luua elektriväli.

Kuna see sõltub voo arvutamisel kasutatava pinna pindala geomeetriast, varieerub see sõltuvalt kujust. Ümmarguse ala puhul voolav ala A oleks π_r_² koos r ringi raadiusena, või silindri kumera pinna korral voo pindala oleks Ch milles C on ümmarguse silindri pinna ümbermõõt ja h on silindrite kõrgus.

Laetud ja staatiline elekter

Staatiline elekter ilmub siis, kui kaks objekti ei ole elektrilises tasakaalus (või elektrostaatiline tasakaal) või et ühelt objektilt teisele kulub netovoog. Kui materjalid üksteise vastu hõõruvad, kanduvad nad laengud omavahel. Sokkide hõõrumine vaibal või täispuhutud õhupalli kumm juustes võivad tekitada neid elektrienergia vorme. Sokk kannab need ülemäärased kulud tagasi, et taastada tasakaal.

Elektrijuhid

Jaoks dirigent (materjal, mis edastab elektrit) elektrostaatilises tasakaalus, on elektriväli sees null ja selle pinna netolaeng peab püsima elektrostaatilises tasakaalus. Selle põhjuseks on asjaolu, et kui väli oleks olemas, jaotaksid juhid elektronid vastusena väljale ümber või joonduksid ümber. Nii tühistaksid nad kõik väljad kohe, kui see luuakse.

Alumiinium ja vasktraat on voolude edastamiseks kasutatavad tavalised juhimaterjalid, sageli kasutatakse ka ioonjuhtmeid, mis on lahendused, mis kasutavad vabalt ujuvaid ioone, et lasta laadimisel hõlpsalt voolata. Pooljuhid, näiteks kiibid, mis lasevad arvutitel töötada, kasutavad ka vabalt liikuvaid elektrone, kuid mitte nii palju kui juhid. Pooljuhid, näiteks räni ja germaanium, vajavad ka laengute ringlemiseks rohkem energiat ja nende juhtivus on tavaliselt madal. Seevastu isolaatorid nagu puit, ei lase laadimisel nende kaudu hõlpsalt voolata.

Kui väljal pole sees, peab Gaussi pinna korral, mis asub otse juhi pealispinnal, olema väli igal pool null, nii et voog oleks null. See tähendab, et dirigendi sees pole elektrienergiat. Sellest saate järeldada, et sümmeetriliste geomeetriliste struktuuride, näiteks sfääride korral jaotub laeng Gaussi pinna pinnale ühtlaselt.

Gaassi seadus muudes olukordades

Kuna pinna netolaeng peab jääma elektrostaatilisse tasakaalu, peab iga elektriväli olema juhi pinnaga risti, et materjal saaks laengut edastada. Gaassi seadus võimaldab teil arvutada selle elektrivälja suuruse ja juhi voo. Juhi sees olev elektriväli peab olema null ja väljastpoolt peab see olema pinna suhtes risti.

See tähendab, et silindrilise juhi korral, mille väljast kiirgab seinu risti nurk, on koguvoog lihtsalt 2_E__πr_² elektrivälja jaoks E ja r silindrilise juhi ümmarguse pinna raadius. Võite kirjeldada ka pinna netolaengut, kasutades σ, laengu tihedus pindalaühiku kohta, korrutatuna pindalaga.