Come calcolare la carica elettrica

Contenuto

• Formula di carica elettrica
• Carica elettrica e gravità: somiglianze
• Conservazione della carica elettrica
• Il numero di elettroni in carica
• Calcolo della carica elettrica nei circuiti
• Formula di campo elettrico
• La carica netta dell'universo
• Calcolo del flusso elettrico con carica
• Carica ed elettricità statica
• Conduttori elettrici
• Legge di Gauss in altre situazioni

Che si tratti di elettricità statica emessa da un cappotto di pelliccia o di elettricità che alimenta i televisori, puoi imparare di più sulla carica elettrica comprendendo la fisica di base. I metodi per calcolare la carica dipendono dalla natura dell'elettricità stessa, come i principi di come la carica si distribuisce attraverso gli oggetti. Questi principi sono gli stessi indipendentemente da dove ti trovi nell'universo, rendendo la carica elettrica una proprietà fondamentale della scienza stessa.

Formula di carica elettrica

Esistono molti modi per calcolare carica elettrica per vari contro in fisica ed ingegneria elettrica.

Legge di Coulombs viene generalmente utilizzato per il calcolo della forza risultante da particelle che trasportano carica elettrica ed è una delle equazioni di carica elettrica più comuni che verranno utilizzate. Gli elettroni portano cariche individuali di −1.602 × 10^-19 coulomb (C) e protoni portano la stessa quantità, ma in direzione positiva, 1.602 × 10 ⁻¹⁹ C. Per due cariche q₁ e q₂ _ che sono separati da una distanza _r, puoi calcolare la forza elettrica F_E generato usando la legge di Coulombs:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

in quale K è una costante K = 9.0 × 10 ⁹ nm² / C². I fisici e gli ingegneri a volte usano la variabile e riferirsi alla carica di un elettrone.

Si noti che, per le cariche di segni opposti (più e meno), la forza è negativa e, quindi, attraente tra le due cariche. Per due cariche dello stesso segno (più e più o meno e meno), la forza è repulsiva. Maggiore è la carica, più forte è la forza attrattiva o repulsiva tra di loro.

Carica elettrica e gravità: somiglianze

La legge di Coulombs ha una sorprendente somiglianza con la legge di Newton per la forza gravitazionale F_{sol ​} = G m₁m₂ / r² per forza gravitazionale F_sol, masse m₁e m₂e costante gravitazionale sol = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Entrambi misurano forze diverse, variano con una maggiore massa o carica e dipendono dal raggio tra entrambi gli oggetti fino alla seconda potenza. Nonostante le somiglianze, è importante ricordare che le forze gravitazionali sono sempre attraenti mentre le forze elettriche possono essere attraenti o ripugnanti.

Dovresti anche notare che la forza elettrica è generalmente molto più forte della gravità in base alle differenze nel potere esponenziale delle costanti delle leggi. Le somiglianze tra queste due leggi sono una maggiore indicazione di simmetria e modelli tra le leggi comuni dell'universo.

Conservazione della carica elettrica

Se un sistema rimane isolato (cioè senza contatto con nient'altro al di fuori di esso), conserverà la carica. Conservazione della carica significa che la quantità totale di carica elettrica (carica positiva meno carica negativa) rimane la stessa per il sistema. La conservazione della carica consente a fisici e ingegneri di calcolare la quantità di carica che si sposta tra i sistemi e l'ambiente circostante.

Questo principio consente a scienziati e ingegneri di creare gabbie di Faraday che utilizzano schermi o rivestimenti metallici per impedire la fuoriuscita della carica. Le gabbie di Faraday o gli scudi di Faraday usano una tendenza dei campi elettrici a ridistribuire le cariche all'interno del materiale per annullare l'effetto del campo e impedire che le cariche danneggino o penetrino all'interno. Questi sono utilizzati in apparecchiature mediche come le macchine di imaging a risonanza magnetica, per evitare la distorsione dei dati e in dispositivi di protezione per elettricisti e guardalinee che lavorano in ambienti pericolosi.

È possibile calcolare il flusso di addebito netto per un volume di spazio calcolando l'ammontare totale di addebito immettendo e sottraendo l'importo totale di addebito in uscita. Attraverso elettroni e protoni che trasportano carica, le particelle cariche possono essere create o distrutte per bilanciarsi secondo la conservazione della carica.

Il numero di elettroni in carica

Sapendo che la carica di un elettrone è −1.602 × 10 ⁻¹⁹ C, una carica di −8 × 10 ⁻¹⁸ C sarebbe composto da 50 elettroni. Puoi trovarlo dividendo la quantità di carica elettrica per l'entità della carica di un singolo elettrone.

Calcolo della carica elettrica nei circuiti

Se conosci il corrente elettrica, il flusso di carica elettrica attraverso un oggetto, viaggiando attraverso un circuito e per quanto tempo viene applicata la corrente, è possibile calcolare la carica elettrica usando l'equazione per la corrente Q = esso in quale Q è la carica totale misurata in coulomb, io è corrente in ampere e t è il tempo in cui la corrente viene applicata in secondi. Puoi anche usare la legge di Ohm (V = IR) per calcolare la corrente da tensione e resistenza.

Per un circuito con tensione 3 V e resistenza 5 Ω che viene applicato per 10 secondi, la corrente corrispondente che ne risulta è io = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A e la carica totale sarebbe Q = It = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Se conosci la differenza potenziale (V) in volt applicati in un circuito e nel lavoro (W) in joule effettuati nel periodo in cui è applicato, la carica in coulomb, Q = W / V.

Formula di campo elettrico

••• Syed Hussain Ather

Campo elettrico, la forza elettrica per unità di carica, si diffonde radialmente verso l'esterno da cariche positive a cariche negative e può essere calcolata con E = F_E / q, in quale F_E è la forza elettrica e q è la carica che produce il campo elettrico. Dato quanto campo e forza fondamentali siano i calcoli dell'elettricità e del magnetismo, la carica elettrica può essere definita come la proprietà della materia che fa sì che una particella abbia una forza in presenza di un campo elettrico.

Anche se la carica netta o totale su un oggetto è zero, i campi elettrici consentono di distribuire le cariche in vari modi all'interno degli oggetti. Se al loro interno sono presenti distribuzioni di addebito che comportano un addebito netto diverso da zero, tali oggetti lo sono polarizzatae la carica causata da queste polarizzazioni è nota come spese legate.

La carica netta dell'universo

Sebbene gli scienziati non siano tutti d'accordo su quale sia la carica totale dell'universo, hanno fatto ipotesi istruite e testato ipotesi attraverso vari metodi. Puoi osservare che la gravità è la forza dominante nell'universo su scala cosmologica e, poiché la forza elettromagnetica è molto più forte della forza gravitazionale, se l'universo avesse una carica netta (positiva o negativa), allora sarai in grado di vederne le prove a distanze così grandi. L'assenza di queste prove ha portato i ricercatori a credere che l'universo sia neutrale rispetto alla carica.

Se l'universo è sempre stato neutrale rispetto alla carica o come è cambiata la carica dell'universo dal big bang sono anche questioni che sono in discussione. Se l'universo avesse una carica netta, gli scienziati dovrebbero essere in grado di misurare le loro tendenze ed effetti su tutte le linee del campo elettrico in modo tale che, invece di collegarsi da cariche positive a cariche negative, non finirebbero mai. L'assenza di questa osservazione indica anche l'argomento secondo cui l'universo non ha alcun costo netto.

Calcolo del flusso elettrico con carica

••• Syed Hussain Ather

Il flusso elettrico attraverso un'area planare (cioè piatta) UN di un campo elettrico E è il campo moltiplicato per il componente dell'area perpendicolare al campo. Per ottenere questa componente perpendicolare, utilizzare il coseno dell'angolo tra il campo e il piano di interesse nella formula per il flusso, rappresentato da Φ = EA cos (θ), dove θ è l'angolo tra la linea perpendicolare all'area e la direzione del campo elettrico.

Questa equazione, nota come Legge di Gausss, ti dice anche che, per superfici come queste, che chiami Superfici gaussiane, qualsiasi onere netto risiederebbe sulla sua superficie dell'aereo perché sarebbe necessario creare il campo elettrico.

Poiché ciò dipende dalla geometria dell'area della superficie utilizzata nel calcolo del flusso, varia in base alla forma. Per un'area circolare, l'area del flusso UN sarebbe π_r_² con r come il raggio del cerchio, o per la superficie curva di un cilindro, l'area del flusso sarebbe Ch in quale C è la circonferenza della faccia del cilindro circolare e h è l'altezza dei cilindri.

Carica ed elettricità statica

Elettricità statica emerge quando due oggetti non sono in equilibrio elettrico (o equilibrio elettrostatico) o che esiste un flusso netto di cariche da un oggetto a un altro. Quando i materiali si sfregano l'uno contro l'altro, trasferiscono le cariche tra loro. Sfregare i calzini su un tappeto o la gomma di un palloncino gonfiato sui capelli può generare queste forme di elettricità. Lo shock riporta indietro queste cariche in eccesso, per ristabilire uno stato di equilibrio.

Conduttori elettrici

Per un conduttore (un materiale che trasmette elettricità) in equilibrio elettrostatico, il campo elettrico all'interno è zero e la carica netta sulla sua superficie deve rimanere in equilibrio elettrostatico. Questo perché, se ci fosse un campo, gli elettroni nel conduttore si ridistribuivano o si allineavano di nuovo in risposta al campo. In questo modo, annullerebbero qualsiasi campo nell'istante in cui sarebbe stato creato.

L'alluminio e il filo di rame sono materiali conduttori comuni usati per trasmettere correnti e spesso vengono usati anche conduttori ionici, che sono soluzioni che usano ioni fluttuanti liberamente per far fluire facilmente la carica. Semiconduttori, come i chip che consentono il funzionamento dei computer, usano anche elettroni a circolazione libera, ma non quanti ne fanno i conduttori. I semiconduttori come il silicio e il germanio richiedono anche più energia per far circolare le cariche e generalmente hanno una bassa conduttività. Al contrario, isolatori come il legno non permettono alla carica di fluire facilmente attraverso di essi.

Senza campo all'interno, per una superficie gaussiana che si trova appena all'interno della superficie del conduttore, il campo deve essere zero ovunque in modo che il flusso sia zero. Ciò significa che non vi è alcuna carica elettrica netta all'interno del conduttore. Da ciò si può dedurre che, per strutture geometriche simmetriche come sfere, la carica si distribuisce uniformemente sulla superficie della superficie gaussiana.

Legge di Gauss in altre situazioni

Poiché la carica netta su una superficie deve rimanere in equilibrio elettrostatico, qualsiasi campo elettrico deve essere perpendicolare alla superficie di un conduttore per consentire al materiale di trasmettere cariche. La legge di Gausss ti consente di calcolare l'entità di questo campo elettrico e il flusso per il conduttore. Il campo elettrico all'interno di un conduttore deve essere zero e, all'esterno, deve essere perpendicolare alla superficie.

Ciò significa che, per un conduttore cilindrico con campo che si irradia dalle pareti con un angolo perpendicolare, il flusso totale è semplicemente 2_E__πr_² per un campo elettrico E e r raggio della faccia circolare del conduttore cilindrico. È inoltre possibile descrivere il costo netto in superficie utilizzando σ, il densità di carica per unità di area, moltiplicato per l'area.