Bagaimana Mengira Caj Elektrik

Kandungan

• Formula Caj Elektrik
• Caj Elektrik dan Graviti: Kesamaan
• Pemuliharaan Caj Elektrik
• Bilangan Elektron dalam Gadaian
• Mengira Caj Elektrik dalam Litar
• Formula Medan Elektrik
• Caj Bersih Alam Semesta
• Mengira Fluks Elektrik dengan Caj
• Caj dan Elektrik Statik
• Konduktor elektrik
• Gausss Law dalam Situasi Lain

Sama ada elektrik statik yang dikeluarkan oleh kot berbulu atau elektrik yang memberi kuasa kepada set televisyen, anda boleh mengetahui lebih lanjut mengenai caj elektrik dengan memahami fizik yang mendasari. Kaedah-kaedah untuk mengira caj bergantung kepada jenis elektrik itu sendiri, seperti prinsip-prinsip bagaimana caj mendistribusikan dirinya melalui objek. Prinsip-prinsip ini adalah sama tidak kira di mana anda berada di alam semesta, menjadikan kuasa elektrik sebagai harta asas sains sendiri.

Formula Caj Elektrik

Terdapat banyak cara untuk mengira caj elektrik untuk pelbagai kontra dalam fizik dan kejuruteraan elektrik.

Undang-undang Coulombs biasanya digunakan apabila mengira daya yang dihasilkan daripada zarah-zarah yang membawa cas elektrik, dan merupakan salah satu persamaan cas elektrik yang paling biasa yang anda akan gunakan. Elektron membawa caj individu sebanyak -1.602 × 10^-19 coulombs (C), dan proton membawa jumlah yang sama, tetapi dalam arah positif, 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. Untuk dua caj q₁ dan q₂ _that dipisahkan oleh jarak _r, anda boleh mengira daya elektrik F_E dijana menggunakan undang-undang Coulombs:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

di mana k adalah tetap k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Pakar fizikal dan jurutera kadang kala menggunakan pembolehubah e untuk merujuk kepada pertuduhan satu elektron.

Perhatikan bahawa, untuk caj tanda bertentangan (tambah dan tolak), daya negatif dan, oleh itu, menarik antara kedua-dua caj. Untuk dua caj tanda yang sama (ditambah dan ditambah atau tolak dan tolak), kuasa itu menjijikkan. Semakin besar tuduhan itu, semakin kuat daya yang menarik atau menjijikkan adalah di antara mereka.

Caj Elektrik dan Graviti: Kesamaan

Undang-undang Coulombs menonjolkan persamaan dengan undang-undang Newtons untuk daya graviti F_{G ​} = G m₁m₂ / r² untuk daya graviti F_G, orang ramai m₁dan m₂, dan pemalar graviti G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Kedua-dua mereka mengukur kekuatan yang berlainan, berbeza dengan jisim atau caj yang lebih besar dan bergantung kepada jejari antara kedua-dua objek ke kuasa kedua. Walaupun persamaannya, penting untuk mengingati daya tarikan graviti sentiasa menarik manakala kuasa elektrik boleh menjadi menarik atau menjijikkan.

Anda juga perlu ambil perhatian bahawa kuasa elektrik pada umumnya lebih kuat daripada graviti berdasarkan perbezaan dalam kuasa eksponen pemalar undang-undang. Persamaan antara kedua undang-undang ini adalah petunjuk yang lebih besar tentang simetri dan corak di kalangan undang-undang umum alam semesta.

Pemuliharaan Caj Elektrik

Sekiranya sistem tetap terpencil (iaitu tanpa hubungan dengan apa-apa di luarnya), ia akan menjimatkan caj. Pemuliharaan caj ertinya jumlah caj elektrik (caj positif tolak caj negatif) tetap sama untuk sistem. Pemuliharaan caj membolehkan para ahli fizik dan jurutera mengira berapa banyak pertuduhan bergerak di antara sistem dan persekitaran mereka.

Prinsip ini membolehkan ahli sains dan jurutera membuat sangkar Faraday yang menggunakan perisai logam atau salutan untuk mengelakkan pertuduhan dari melarikan diri. Sangkar Faraday atau perisai Faraday menggunakan kecenderungan medan elektrik untuk mengagihkan semula caj dalam bahan untuk membatalkan kesan lapangan dan mencegah tuduhan dari merugikan atau memasuki pedalaman. Ini digunakan dalam peralatan perubatan seperti mesin pengimejan resonans magnetik, untuk mengelakkan data daripada diputarbelitkan, dan dalam alat perlindungan untuk juruelektrik dan linemen yang bekerja dalam persekitaran yang berbahaya.

Anda boleh mengira aliran cas bersih untuk jumlah ruang dengan mengira jumlah jumlah caj yang masuk dan menolak jumlah jumlah caj yang dikeluarkan. Melalui elektron dan proton yang membawa caj, zarah yang dikenakan boleh dibuat atau dimusnahkan untuk mengimbangi diri mereka mengikut pemuliharaan caj.

Bilangan Elektron dalam Gadaian

Mengetahui bahawa caj elektron adalah -1602 × 10 ⁻¹⁹ C, caj -8 × 10 ⁻¹⁸ C akan terdiri daripada 50 elektron. Anda boleh mencari ini dengan membahagikan jumlah cas elektrik dengan magnitud caj satu elektron tunggal.

Mengira Caj Elektrik dalam Litar

Sekiranya anda tahu arus elektrik, aliran cas elektrik melalui objek, perjalanan melalui litar dan berapa lama arus digunakan, anda boleh mengira cas elektrik menggunakan persamaan untuk arus Q = Ia di mana Q ialah jumlah caj yang diukur dalam coulombs, Saya adalah semasa dalam amps, dan t adalah masa yang digunakan semasa dalam beberapa saat. Anda juga boleh menggunakan undang-undang Ohms (V = IR) untuk mengira arus dari voltan dan rintangan.

Untuk litar dengan voltan 3 V dan rintangan 5 Ω yang digunakan selama 10 saat, arus bersamaan yang hasilnya adalah Saya = V / R = 3 V / 5 Ω = 0.6 A, dan jumlah keseluruhan akan dikenakan Q = It = 0.6 A × 10 s = 6 C.

Jika anda tahu perbezaan potensi (V) dalam volt yang digunakan dalam litar dan kerja (W) dalam joules yang dilakukan sepanjang tempoh yang digunakan, caj dalam coulombs, Q = W / V.

Formula Medan Elektrik

••• Syed Hussain Ather

Medan elektrik, kuasa elektrik seunit unit, merebak secara luaran keluar dari caj positif ke arah caj negatif dan boleh dikira dengan E = F_E / q, di mana F_E ialah kuasa elektrik dan q adalah caj yang menghasilkan medan elektrik. Memandangkan betapa pentingnya medan dan tenaga adalah untuk pengiraan dalam elektrik dan magnet, caj elektrik boleh ditakrifkan sebagai harta benda yang menyebabkan zarah mempunyai kekuatan di hadapan medan elektrik.

Sekalipun bersih, atau jumlahnya, mengecas objek adalah sifar, medan elektrik membenarkan caj untuk diagihkan dalam pelbagai cara dalam objek. Sekiranya terdapat pengagihan caj di dalamnya yang mengakibatkan caj bersih bukan sifar, objek tersebut terpolarisasi, dan pertuduhan yang disebabkan oleh polarisasi ini dikenali sebagai caj terikat.

Caj Bersih Alam Semesta

Walaupun para saintis tidak bersetuju dengan apa jua jumlah tuduhan alam semesta ini, mereka telah membuat tipu yang berpelajaran dan hipotesis yang diuji melalui pelbagai kaedah. Anda mungkin melihat bahawa graviti adalah kuasa dominan di alam semesta pada skala kosmologi, dan, kerana daya elektromagnetik lebih kuat daripada daya graviti, jika alam semesta mempunyai pertahanan bersih (baik positif atau negatif), maka anda dapat lihat keterangannya di jarak yang begitu besar. Ketiadaan bukti ini telah menyebabkan para penyelidik percaya bahawa alam semesta adalah bertanggungjawab secara neutral.

Sama ada alam semesta selalu mengenakan neutral atau bagaimana pertuduhan alam semesta telah berubah sejak bang besar juga merupakan persoalan yang perlu dibahaskan. Sekiranya alam semesta mempunyai pertuduhan bersih, para saintis harus dapat mengukur kecenderungan dan kesan mereka pada semua medan elektrik dengan cara yang bukannya menyambung dari caj positif kepada caj negatif, mereka tidak akan berakhir. Ketiadaan pemerhatian ini juga menunjukkan hujah bahawa alam semesta tidak mempunyai pertuduhan bersih.

Mengira Fluks Elektrik dengan Caj

••• Syed Hussain Ather

The fluks elektrik melalui kawasan datar (iaitu rata) A daripada medan elektrik E adalah medan yang didarabkan oleh komponen kawasan tegak lurus ke medan. Untuk mendapatkan komponen tegak lurus ini, anda menggunakan cosine sudut di antara medan dan satah minat dalam formula untuk fluks, yang diwakili oleh Φ = EA cos (θ), di mana θ adalah sudut antara garis tegak lurus ke kawasan dan arah medan elektrik.

Persamaan ini, dikenali sebagai Gausss Law, juga memberitahu anda bahawa, untuk permukaan seperti ini, yang anda panggil Permukaan Gaussian, sebarang tuduhan bersih akan berada di atas permukaan pesawat kerana ia perlu untuk mewujudkan medan elektrik.

Kerana ini bergantung kepada geometri kawasan permukaan yang digunakan dalam mengira fluks, ia berubah bergantung pada bentuknya. Untuk kawasan bulat, kawasan fluks A akan π_r_² dengan r sebagai jejari bulatan, atau untuk permukaan melengkung silinder, kawasan fluks akan Ch di mana C adalah lilitan muka silinder bulat dan h adalah ketinggian silinder.

Caj dan Elektrik Statik

Elektrik statik muncul apabila dua objek tidak berada di keseimbangan elektrik (atau keseimbangan elektrostatik), atau, bahawa terdapat aliran bersih tuduhan dari satu objek ke yang lain. Apabila bahan menggosok satu sama lain, mereka memindahkan caj antara satu sama lain. Menggosok kaus kaki di atas permaidani atau getah balon yang melambung pada rambut anda boleh menjana bentuk elektrik ini. Kejutan mengalihkan caj berlebihan ini kembali, untuk mewujudkan semula keseimbangan.

Konduktor elektrik

Untuk konduktor (bahan yang menghantar elektrik) dalam keseimbangan elektrostatik, medan elektrik di dalam adalah sifar dan cas bersih di permukaannya mesti kekal di keseimbangan elektrostatik. Ini kerana, jika terdapat medan, elektron-elektron dalam konduktor akan mengedarkan semula atau menyusun semula diri mereka sebagai tindak balas kepada bidang tersebut. Dengan cara ini, mereka akan membatalkan mana-mana bidang sebaik sahaja ia dibuat.

Kawat aluminium dan tembaga adalah bahan konduktor biasa yang digunakan untuk menghantar arus, dan konduktor ionik juga sering digunakan, iaitu penyelesaian yang menggunakan ion terapung secara bebas untuk membolehkan aliran cas melalui dengan mudah. Semi konduktor, seperti cip yang membolehkan fungsi komputer, menggunakan elektron yang beredar dengan baik, tetapi tidak seberapa yang dilakukan oleh konduktor. Semi konduktor seperti silikon dan germanium juga memerlukan lebih banyak tenaga untuk membiarkan pertuduhan beredar dan umumnya mempunyai kelakuan yang rendah. Sebaliknya, penebat seperti kayu tidak membenarkan aliran caj mudah melalui mereka.

Dengan tiada medan di dalam, untuk permukaan Gaussian yang terletak tepat di dalam permukaan konduktor, medan mesti sifar di mana-mana sehingga fluks adalah sifar. Ini bermakna tiada caj elektrik bersih di dalam konduktor. Daripada ini, anda boleh menyimpulkan bahawa, untuk struktur geometri simetri seperti sfera, caj mengagihkan dirinya secara seragam ke permukaan permukaan Gaussian.

Gausss Law dalam Situasi Lain

Oleh kerana cas bersih pada permukaan mesti kekal dalam keseimbangan elektrostatik, mana-mana medan elektrik mestilah berserenjang ke permukaan konduktor untuk membolehkan bahan itu menghantar caj. Undang-undang Gausss membolehkan anda mengira magnitud medan elektrik ini dan fluks untuk konduktor. Medan elektrik di dalam konduktor mestilah sifar, dan, di luar, ia mesti berserenjang ke permukaan.

Ini bermakna, untuk konduktor silinder dengan medan dari dinding pada sudut tegak lurus, jumlah fluks adalah hanya 2_E__πr_² untuk medan elektrik E dan r jejari muka bulat konduktor silinder. Anda juga boleh menerangkan caj bersih pada permukaan menggunakan σ, yang ketumpatan cas setiap kawasan unit, didarab dengan kawasan tersebut.