Kako izračunati električno polnjenje

Vsebina

• Formula električnega polnjenja
• Električni naboj in težnost: podobnosti
• Ohranjanje električnega polnjenja
• Število elektronov v polnjenju
• Izračun električne napolnjenosti v tokokrogih
• Formula električnega polja
• Neto naboj vesolja
• Izračun električnega toka s polnjenjem
• Polnjenje in statična elektrika
• Električni prevodniki
• Gaussov zakon v drugih situacijah

Ne glede na to, ali gre za statično elektriko, ki jo oddaja krzneni plašč, ali elektriko, ki napaja televizijske sprejemnike, lahko več informacij o električnem naboju izvedete z razumevanjem osnovne fizike. Načini za izračun naboja so odvisni od same narave električne energije, kot so načela, kako se naboj distribuira skozi predmete. Ta načela so enaka, ne glede na to, kje si v vesolju, zato je električni naboj osnovna lastnost znanosti.

Formula električnega polnjenja

Obstaja veliko načinov izračuna električni naboj za različne vidike fizike in elektrotehnike.

Coulombov zakon se običajno uporablja pri izračunu sile, ki je posledica delcev, ki nosijo električni naboj, in je ena najpogostejših enačb električnega naboja, ki jo boste uporabili. Elektroni nosijo posamezne naboje od -1602 × 10^-19 coulombi (C) in protoni nosijo enako količino, vendar v pozitivni smeri, 1.602 × 10 ⁻¹⁹ C. Za dve obtožbi q₁ in q₂ _, ki so ločeni z razdaljo _r, lahko izračunate električno silo F_E ustvarjen z uporabo Coulombsovega zakona:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

v kateri k je stalnica k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Fiziki in inženirji včasih uporabljajo spremenljivko e sklicevati se na naboj elektrona.

Upoštevajte, da je pri nabojih nasprotnih znakov (plus in minus) sila negativna in je zato privlačna med obema nabojema. Pri dveh nabojih istega znaka (plus in plus ali minus in minus) je sila odbojna. Večji kot so naboji, močnejša je privlačna ali odbojna sila med njima.

Električni naboj in težnost: podobnosti

Coulombosov zakon ima za gravitacijsko silo presenetljivo podoben Newtonovemu zakonu F_{G ​} = G m₁m₂ / r² za gravitacijsko silo F_G, maše m₁in m₂in gravitacijska konstanta G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Oba merita različne sile, razlikujeta se z večjo maso ali nabojem in sta odvisna od polmera obeh objektov do druge moči. Kljub podobnosti je pomembno, da si zapomnimo gravitacijske sile vedno privlačne, električne sile pa so lahko privlačne ali odbijajoče.

Upoštevati morate tudi, da je električna sila na splošno veliko močnejša od gravitacije, ki temelji na razlikah v eksponentni moči konstant zakonov. Podobnosti teh dveh zakonov sta večji pokazatelj simetrije in vzorcev med običajnimi zakoni vesolja.

Ohranjanje električnega polnjenja

Če sistem ostane izoliran (tj. Brez stika s čim drugim zunaj njega), bo prihranil naboj. Ohranjanje naboja pomeni, da skupna količina električnega naboja (pozitiven naboj minus negativni naboj) ostane enaka za sistem. Ohranjanje naboja omogoča fizikom in inženirjem, da izračunajo, koliko naboja se giblje med sistemi in okolico.

To načelo omogoča znanstvenikom in inženirjem, da ustvarijo Faradayeve kletke, ki uporabljajo kovinski ščit ali prevleko, da preprečijo, da bi naboj pobegnil. Faradayeve kletke ali Faradayevi ščiti uporabljajo nagib električnih polj, da ponovno razdelijo naboje znotraj materiala, da odpravijo učinek polja in preprečijo, da bi naboji poškodovali ali vstopili v notranjost. Uporabljajo se v medicinski opremi, kot so stroji za slikanje z magnetno resonanco, za preprečevanje izkrivljanja podatkov in v zaščitni opremi za električarje in osebje, ki delajo v nevarnih okoljih.

Čisti tok napolnjenosti za prostornino lahko izračunate tako, da izračunate skupno količino vnesene napolnjenosti in odštejete skupno količino porabe. Skozi elektrone in protone, ki nosijo naboj, lahko nabito delce ustvarijo ali uničijo, da se uravnotežijo glede na ohranitev naboja.

Število elektronov v polnjenju

Ob zavedanju, da je naboj elektrona –1.602 × 10 ⁻¹⁹ C, naboj −8 × 10 ⁻¹⁸ C bi bil sestavljen iz 50 elektronov. To lahko ugotovite tako, da delite količino električnega naboja na velikost naboja posameznega elektrona.

Izračun električne napolnjenosti v tokokrogih

Če poznate električni tok, pretok električnega naboja skozi predmet, ki potuje skozi tokokrog in kako dolgo je uporabljen tok, lahko izračunate električni naboj z uporabo enačbe za tok V = To je v kateri V je skupna napolnitev, izmerjena v coulombih, jaz je tok v amperih in t je čas, ko se tok uporabi v sekundah. Uporabite lahko tudi Ohmov zakon (V = IR) za izračun toka iz napetosti in upora.

Za vezje z napetostjo 3 V in upornostjo 5 Ω, ki se uporablja 10 sekund, je ustrezen tok, ki nastane jaz = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, skupni naboj bi bil Q = To = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Če poznate potencialno razliko (V) v voltih, uporabljenih v vezju in delu (W) v džulih, opravljenih v obdobju, v katerem se uporablja, naboj v klobukih, V = W / V.

Formula električnega polja

••• Syed Hussain Ather

Električno polje, električna sila na enoto naboja, se širi radialno navzven od pozitivnih nabojev proti negativnim nabojem in se lahko izračuna s E = F_E / q, v kateri F_E je električna sila in q je naboj, ki proizvaja električno polje. Glede na to, kako temeljna polja in sila sta izračunana elektrika in magnetizem, se lahko električni naboj definira kot lastnost snovi, ki povzroči, da ima delec silo v prisotnosti električnega polja.

Tudi če je neto ali celotni naboj na predmetu nič, električna polja omogočajo porazdelitev nabojev na različne načine znotraj predmetov. Če so znotraj njih porazdelitve nabojev, ki povzročijo neto nič naboja, so ti predmeti polariziranin naboj, ki ga povzročajo te polarizacije, je znan kot vezani stroški.

Neto naboj vesolja

Čeprav se znanstveniki ne strinjajo o tem, kakšen je skupni naboj vesolja, so z različnimi metodami izpopolnjevali ugibanja in preizkušali hipoteze. Lahko opazite, da je gravitacija v vesolju prevladujoča sila v kozmološkem merilu, in ker je elektromagnetna sila veliko močnejša od gravitacijske sile, če bi imelo vesolje neto naboj (pozitiven ali negativen), bi lahko bili sposobni glej dokaze o tem na tako velikih razdaljah. Če teh dokazov ni bilo, so raziskovalci prepričani, da je vesolje naključno nevtralno.

Ali je vesolje vedno nabito nevtralno ali kako se je naboj vesolja spremenil od velikega udarca, so tudi vprašanja, o katerih je mogoče razpravljati. Če bi vesolje imelo neto naboj, bi morali znanstveniki izmeriti svoje težnje in učinke na vse proge električnega polja na tak način, da se namesto povezovanja iz pozitivnih nabojev v negativne naboje ne bi nikoli končalo. Odsotnost tega opažanja kaže tudi na argument, da vesolje nima čistega naboja.

Izračun električnega toka s polnjenjem

••• Syed Hussain Ather

The električni tok skozi ravninsko (t. i. ravno) območje A električnega polja E je polje, pomnoženo s komponento območja, pravokotno na polje. Če želite dobiti to pravokotno komponento, uporabite kosinus kota med poljem in ravnino, ki nas zanima, v formuli za tok, ki jo predstavlja Φ = EA cos (θ), kje θ je kot med črto, pravokotno na območje in smer električnega polja.

Ta enačba, znana kot Gaussov zakon, vam tudi pove, da za take površine, ki jih imenujete Gaussove površine, bi vsako neto polnjenje stalo na njegovi površini ravnine, ker bi bilo potrebno ustvariti električno polje.

Ker je to odvisno od geometrije površine površine, ki se uporablja za izračun toka, se spreminja glede na obliko. Za krožno območje območje pretoka A bi bil π_r_² s r kot polmer kroga, ali za ukrivljeno površino valja, bi bilo območje pretoka Pogl v kateri C je obod obraza krožnega valja in h je višina jeklenk.

Polnjenje in statična elektrika

Statična elektrika nastane, kadar dva predmeta nista v električnem ravnovesju (oz elektrostatično ravnovesje) ali, če obstaja neto pretok nabojev iz enega predmeta v drugega. Ko se materiali drgnejo drug proti drugemu, med seboj prenašajo naboje. Drgnjenje nogavic na preprogo ali guma napihnjenega balona na laseh lahko ustvari te oblike električne energije. Šok prenese te presežne naboje nazaj, da ponovno vzpostavi stanje ravnotežja.

Električni prevodniki

Za dirigent (material, ki odda električno energijo) v elektrostatičnem ravnovesju, električno polje znotraj je nič, neto naboj na njegovi površini pa mora ostati v elektrostatičnem ravnovesju. To je zato, ker bi se, če bi bilo polje, elektroni v prevodniku ponovno porazdelili ali ponovno poravnali kot odgovor na polje. Tako bi prekinili vsako polje takoj, ko bi ga ustvarili.

Aluminijasta in bakrena žica sta običajna materiala prevodnikov, ki se uporabljajo za prenašanje tokov, pogosto se uporabljajo tudi ionski prevodniki, ki so raztopine, ki s prosto plavajočimi ioni prepuščajo, da se naboj pretaka brez težav. Polprevodniki, kot so čipi, ki računalnikom omogočajo, da uporabljajo tudi prosto krožijo elektrone, vendar ne toliko, kot to počnejo prevodniki. Polprevodniki, kot sta silikon in germanij, potrebujejo tudi več energije, da naboji krožijo in imajo na splošno nizko prevodnost. Nasprotno pa izolatorji na primer les ne pušča, da se polnjenje zlahka pretaka skozi njih.

Brez notranjega polja, za Gaussovo površino, ki leži tik znotraj površine prevodnika, mora biti polje povsod nič, tako da je tok nič. To pomeni, da v prevodniku ni električnega naboja. Iz tega lahko sklepamo, da se za simetrične geometrijske strukture, kot so krogle, naboj enakomerno porazdeli na površino Gaussove površine.

Gaussov zakon v drugih situacijah

Ker mora neto naboj na površini ostati v elektrostatičnem ravnovesju, mora biti vsako električno polje pravokotno na površino prevodnika, da lahko material prenaša naboje. Gaussov zakon vam omogoča, da izračunate jakost tega električnega polja in toka za prevodnik. Električno polje znotraj prevodnika mora biti nič, zunaj pa mora biti pravokotno na površino.

To pomeni, da je za cilindrični prevodnik s poljem, ki seva od sten pod pravokotnim kotom, celotni pretok preprosto 2_E__πr_² za električno polje E in r polmer krožne ploskve valjastega prevodnika. S pomočjo uporabe lahko opišete tudi neto naboj na površini σ, the gostota naboja na enoto površine, pomnoženo s površino.