Elektrik Şarjı Nasıl Hesaplanır?

İçerik

• Elektrik Şarj Formülü
• Elektrik Yükü ve Yerçekimi: Benzerlikler
• Elektrik Yükünün Korunması
• Bir Yükdeki Elektron Sayısı
• Devrelerde Elektrik Yükünün Hesaplanması
• Elektrik Alan Formülü
• Evrenin Net Ücreti
• Ücretli Elektrik Akısını Hesaplama
• Şarj ve Statik Elektrik
• Elektrik İletkenleri
• Diğer Durumlarda Gauss Yasası

İster tüylü bir palto ile verilmiş statik elektriği, gerekse televizyon setlerini çalıştıran elektrik olsun, temel fiziği anlayarak elektrik yükü hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz. Yükü hesaplama yöntemleri, yükün kendisini nesnelerle nasıl dağıtdığının ilkeleri gibi, elektriğin kendisinin doğasına bağlıdır. Bu prensipler, evrenin neresinde olursanız olun, elektrik yükünü bilimin kendisinin temel bir özelliği yapan aynıdır.

Elektrik Şarj Formülü

Hesaplamanın birçok yolu var elektrik şarjı fizik ve elektrik mühendisliğinde çeşitli eksiler için.

Coulomb yasası genellikle elektrik yükü taşıyan parçacıklardan kaynaklanan kuvveti hesaplarken kullanılır ve kullanacağınız en yaygın elektrik yükü denklemlerinden biridir. Elektronlar bireysel olarak −1.602 × 10 şarj eder.^-19 coulombs (C) ve protonlar aynı miktarda taşır, ancak pozitif yönde, 1.602 × 10 ⁻¹⁹ C. İki masraf için q₁ ve q₂ _t mesafe ile ayrılır, elektrik kuvvetini hesaplayabilirsiniz F_E Coulombs yasası kullanılarak oluşturulan:

F_E = kırık {kq_1q_2} {r ^ 2}

içinde k bir sabittir k = 9.0 × 10 ⁹ nm² / C². Fizikçiler ve mühendisler bazen değişkeni kullanırlar e Bir elektron yüküne atıfta bulunmak için.

Karşıt işaretlerin (artı ve eksi) ücretleri için kuvvetin negatif olduğunu ve bu nedenle iki şarj arasında çekici olduğunu unutmayın. Aynı işaretin iki şarjı için (artı ve artı veya eksi ve eksi) kuvvet iticidir. Yüklemeler ne kadar büyük olursa, aralarındaki çekici veya itici kuvvet o kadar güçlü olur.

Elektrik Yükü ve Yerçekimi: Benzerlikler

Coulombs yasası, çekim kuvveti konusundaki Newton yasalarına benzerlik gösteriyor F_{G, ​} = G m₁m₂ / r² yerçekimi kuvveti için F_G,kitleler m₁ve m₂ve yerçekimi sabiti G, = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Her ikisi de farklı kuvvetleri ölçer, daha büyük kütle veya yük ile değişir ve her iki nesne arasındaki ikinci güce olan yarıçapa bağlıdır. Benzerliklere rağmen, çekim kuvvetlerini hatırlamak önemlidir, elektrik kuvvetleri çekici veya itici olabilirken her zaman çekicidir.

Ayrıca, elektrik kuvvetinin, yasaların sabitlerinin üssel gücündeki farklılıklara dayanarak yerçekiminden çok daha güçlü olduğunu not etmelisiniz. Bu iki yasa arasındaki benzerlikler, evrenin ortak yasaları arasındaki simetri ve kalıpların daha büyük bir göstergesidir.

Elektrik Yükünün Korunması

Bir sistem yalıtılmış kalırsa (başka bir şeyle temas etmeden), şarjı koruyacaktır. Ücretin Korunması toplam elektrik yükü miktarının (pozitif yük eksi negatif yük) sistem için aynı kaldığı anlamına gelir. Yükün korunması fizikçilerin ve mühendislerin sistemler ve çevreleri arasında ne kadar yükün hareket ettiğini hesaplamasını sağlar.

Bu ilke, bilim insanlarının ve mühendislerin, yükün kaçmasını önlemek için metal kalkanlar veya kaplamalar kullanan Faraday kafesleri oluşturmalarını sağlar. Faraday kafesleri veya Faraday kalkanları, alanın etkisini iptal etmek ve yüklerin içeriye zarar vermesini veya içeri girmesini önlemek için yükleri malzeme içinde yeniden dağıtma eğiliminde bir elektrik alanı kullanma eğilimi kullanır. Bunlar manyetik rezonans görüntüleme makineleri gibi tıbbi cihazlarda, verilerin bozulmasını önlemek için ve tehlikeli ortamlarda çalışan elektrikçiler ve çamaşırhaneler için koruyucu giysilerde kullanılır.

Girilen toplam ücret miktarını hesaplayarak ve toplam ücret bırakma miktarını çıkararak, bir alan hacmi için net ücret akışını hesaplayabilirsiniz. Yük taşıyan elektronlar ve protonlar aracılığıyla yükün korunmasına göre kendilerini dengede tutmak için yüklü parçacıklar oluşturulabilir veya yok edilebilir.

Bir Yükdeki Elektron Sayısı

Bir elektron şarjının −1.602 × 10 olduğunu bilmek ⁻¹⁹ C, ×8 × 10 yük ⁻¹⁸ C, 50 elektrondan oluşacaktır. Bunu elektrik yükünün miktarını tek bir elektronun yükünün büyüklüğüne bölerek bulabilirsiniz.

Devrelerde Elektrik Yükünün Hesaplanması

Eğer biliyorsan elektrik akımıBir nesneden elektrik yükünün akışını, bir devreden geçmeyi ve akımın ne kadar süreyle uygulandığını ölçmek için, elektrik yükünü akım için denklemi kullanarak hesaplayabilirsiniz. S = O içinde S coulomblarda ölçülen toplam yük, ben amper cinsinden t akımın saniye cinsinden uygulandığı zamandır. Ohm yasasını da kullanabilirsiniz (V = İR) gerilim ve dirençten akımı hesaplamak için.

3 V voltaj ve 5 for dirençli bir devre için, 10 saniye boyunca uygulanan, ben = V / R, = 3 V / 5 Ω = 0,6 A ve toplam ücret Q = Bu = 0.6 A × 10 s = 6 C

Potansiyel farkı biliyorsanız (VDevrede ve işlerde uygulanan voltajlardaW) uygulandığı süre zarfında yapılan joule'lerde, coulomblardaki yük, S = W / V.

Elektrik Alan Formülü

••• Syed Hussain Ather

Elektrik alanıbirim yük başına elektrik kuvveti, pozitif yüklerden negatif yüklere doğru radyal olarak dışarıya doğru yayılır ve E = F_E / q, içinde F_E elektrik kuvveti ve q elektrik alanını üreten yük. Alan ve kuvvetin elektrik ve manyetizmadaki hesaplamaları için ne kadar temel olduğu göz önüne alındığında, elektrik yükü bir partikülün bir elektrik alanın varlığında kuvvete neden olan maddenin özelliği olarak tanımlanabilir.

Bir cisimdeki net veya toplam yük sıfır olsa bile, elektrik alanlar şarjların nesnelerin içindeki çeşitli şekillerde dağılmasını sağlar. İçlerinde sıfır olmayan bir net yüke neden olan ücret dağılımları varsa, bu nesneler polarizeve bu kutuplaşmaların neden olduğu yük olarak bilinir. bağlı masraflar.

Evrenin Net Ücreti

Bilim adamları, evrenin toplam yükünün ne olduğu konusunda hemfikir olmasalar da, eğitimli tahminler yaptılar ve çeşitli yöntemlerle hipotezleri test ettiler. Yerçekiminin kozmolojik ölçekte evrendeki baskın güç olduğunu gözlemleyebilirsiniz, ve çünkü eğer elektromanyetik kuvvet yerçekimi kuvvetinden çok daha güçlü olduğundan, eğer evrenin net bir yükü varsa (pozitif veya negatif), o zaman Bunun gibi büyük mesafelerde kanıtlarını görün. Bu delillerin yokluğu araştırmacıların evrenin tarafsız olduğuna inanmalarını sağlamıştır.

Evrenin her zaman tarafsız olması ya da evrenin şarjının büyük patlamadan bu yana nasıl değiştiği, aynı zamanda tartışmaya açık sorulardır. Eğer evren net bir yüke sahipse, bilim adamları pozitif alandaki yüklerden negatif yüklere bağlanmak yerine asla sona ermeyecekleri şekilde tüm elektrik alan hatlarındaki eğilimlerini ve etkilerini ölçebilmeliler. Bu gözlemin yokluğu aynı zamanda evrenin net bir yükü olmadığı argümanına da işaret ediyor.

Ücretli Elektrik Akısını Hesaplama

••• Syed Hussain Ather

elektrik akımı düzlemsel (yani düz) bir alandan bir elektrik alanın E alan, alana dik olan alanın bileşeni ile çarpılır. Bu dikey bileşeni elde etmek için, alan ile ilgili formülde ilgilenilen düzlem arasındaki açı kosinüsünü kullanın; Φ = EA cos (θ), nerede θ bölgeye dik hat ile elektrik alanın yönü arasındaki açıdır.

Bu denklem, olarak bilinen Gauss YasasıAyrıca, bunlara benzer yüzeyler için, aradığınız Gauss yüzeyleriHerhangi bir net yük düzlemin yüzeyinde kalacaktır, çünkü elektrik alanın oluşturulması gerekli olacaktır.

Bu, akının hesaplanmasında kullanılan yüzey alanının geometrisine bağlı olduğundan, şekle bağlı olarak değişir. Dairesel bir alan için, akı alanı bir π_r_ olur² ile r dairenin yarıçapı olarak veya bir silindirin kavisli yüzeyi için, akı alanı Ch içinde C dairesel silindir yüzünün çevresi ve h silindirlerin yüksekliğidir.

Şarj ve Statik Elektrik

Statik elektrik iki nesne elektrik dengesinde olmadığında ortaya çıkar (veya elektrostatik denge) veya bir nesneden diğerine net bir masraf akışı olduğu anlamına gelir. Malzemeler birbirine sürtündükçe birbirleri arasında yük aktarırlar. Bir halıya sürtünme çorapları veya şişmiş bir balonun lastiği saçınıza sürtünerek bu elektrik formları oluşabilir. Şok, dengeyi yeniden kurmak için bu fazla yükleri geri transfer eder.

Elektrik İletkenleri

Bir için orkestra şefi (elektriği ileten bir malzeme) elektrostatik dengede, içindeki elektrik alanı sıfırdır ve yüzeyindeki net yük elektrostatik dengede kalmalıdır. Bunun nedeni, eğer bir alan olsaydı, iletkendeki elektronların alana cevap olarak kendilerini yeniden dağıtacağı ya da yeniden hizalayacağıdır. Bu şekilde, oluşturulacağı anda herhangi bir alanı iptal ederler.

Alüminyum ve bakır tel, akımları iletmek için kullanılan ortak iletken malzemelerdir ve iyonik iletkenler de sıklıkla kullanılır ve bunlar, şarjın kolayca akmasını sağlamak için serbestçe yüzen iyonları kullanan çözeltilerdir. Yarı-iletkenlerBilgisayarların çalışmasını sağlayan yongalar gibi serbest dolaşımdaki elektronları da kullanın, ancak iletkenlerin yaptığı kadar değil. Silisyum ve germanyum gibi yarı iletkenler ayrıca şarjların dolaşmasına izin vermek için daha fazla enerji gerektirir ve genellikle düşük iletkenliğe sahiptir. Buna karşılık, izolatörler Ahşap gibi, yüklerin içinden kolayca akmasına izin vermeyin.

İçinde hiçbir alan bulunmadığında, iletken yüzeyinin hemen içinde yer alan bir Gauss yüzeyi için, akının sıfır olması için alanın her yerde sıfır olması gerekir. Bu, iletken içerisinde net elektrik yükü olmadığı anlamına gelir. Bundan, küreler gibi simetrik geometrik yapılar için, yükün kendisini Gauss yüzeyinin yüzeyine düzgün bir şekilde dağıttığını tespit edebilirsiniz.

Diğer Durumlarda Gauss Yasası

Bir yüzeydeki net yük elektrostatik dengede kalması gerektiğinden, herhangi bir elektrik alanı, malzemenin yük iletmesine izin vermek için bir iletken yüzeyine dik olmalıdır. Gausss yasası, bu elektrik alanın büyüklüğünü ve iletken için akıyı hesaplamanıza izin verir. Bir iletkenin içindeki elektrik alanı sıfır olmalı ve dış, yüzeye dik olmalıdır.

Bu, dik bir açıyla duvarlardan yayılan alana sahip silindirik bir iletken için, toplam akı sadece 2_E__πr_² elektrik alanı için E ve r silindirik iletkenli dairesel yüzün yarıçapı. Ayrıca yüzeydeki net ücreti de tarif edebilirsiniz. σ, yük yoğunluğu birim alan başına, alanla çarpılır.