كيفية حساب الشحن الكهربائي

المحتوى

• صيغة الشحن الكهربائية
• الشحنة الكهربائية والجاذبية: التشابه
• حفظ الشحنة الكهربائية
• عدد الإلكترونات في التهمة
• حساب الشحنة الكهربائية في الدوائر
• صيغة الحقل الكهربائي
• التهمة الصافية للكون
• حساب التدفق الكهربائي بتهمة
• الشحن والكهرباء الساكنة
• الموصلات الكهربائية
• قانون غاوس في حالات أخرى

سواءً كانت الكهرباء الساكنة الخاصة بها ناتجة عن معطف فروي أو الكهرباء التي تشغل أجهزة التلفزيون ، يمكنك معرفة المزيد عن الشحن الكهربائي من خلال فهم الفيزياء الأساسية. تعتمد طرق حساب الشحن على طبيعة الكهرباء نفسها ، مثل مبادئ كيفية توزيع الشحنة على الأشياء. هذه المبادئ هي نفسها بغض النظر عن مكان وجودك في الكون ، مما يجعل الشحن الكهربائي خاصية أساسية للعلوم نفسها.

صيغة الشحن الكهربائية

هناك العديد من الطرق لحساب الشحنة الكهربائية سلبيات مختلفة في الفيزياء والهندسة الكهربائية.

قانون كولوم يستخدم عادةً عند حساب القوة الناتجة عن الجزيئات التي تحمل شحنة كهربائية ، وهي واحدة من معادلات الشحنة الكهربائية الأكثر شيوعًا التي ستستخدمها. تحمل الإلكترونات شحنة فردية مقدارها .61.62 × 10^-19 coulombs (C) ، والبروتونات تحمل نفس الكمية ، ولكن في الاتجاه الإيجابي ، 1.602 × 10 ⁻¹⁹ C. لتهمتين ف₁ و ف₂ _ مفصولة بمسافة _r, يمكنك حساب القوة الكهربائية F_E تم إنشاؤها باستخدام قانون Coulombs:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

بحيث ك هو ثابت ك = 9.0 × 10 ⁹ نانومتر² / ج². يستخدم الفيزيائيون والمهندسون أحيانًا المتغير البريد للإشارة إلى تهمة الإلكترون.

تجدر الإشارة إلى أن القوة سالبة ، وبالتالي ، فهي جذابة بين التهمتين بالنسبة لتهم الإشارات المعاكسة (زائد وناقص). بالنسبة لتهمتين تحملان نفس العلامة (زائد و زائد أو ناقص و ناقص) ، تكون القوة مثيرة للاشمئزاز. كلما كانت التهم أكبر ، كانت القوة الجذابة أو البغيضة أقوى بينهما.

الشحنة الكهربائية والجاذبية: التشابه

يشتمل قانون كولوم على تشابه صارخ مع قانون نيوتن لقوة الجاذبية F_{G ​} = G م₁م₂ / ص² لقوة الجاذبية F_Gالجماهير م₁و م₂، وثابت الجاذبية G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ م³/ كغ². كلاهما يقيسان قوى مختلفة ، ويختلفان مع كتلة أكبر أو شحنة ويعتمدان على نصف القطر بين كلا الجسمين إلى القوة الثانية. على الرغم من أوجه التشابه ، من المهم أن نتذكر أن قوى الجاذبية دائمًا ما تكون جذابة بينما القوى الكهربائية يمكن أن تكون جذابة أو مثيرة للاشمئزاز.

يجب أن تلاحظ أيضًا أن القوة الكهربائية عمومًا أقوى بكثير من الجاذبية بناءً على الاختلافات في القوة الأسية لثوابت القوانين. التشابه بين هذين القانونين هو مؤشر أكبر على التماثل والأنماط بين القوانين العامة للكون.

حفظ الشحنة الكهربائية

إذا ظل النظام معزولًا (أي دون اتصال بأي شيء آخر خارجه) ، فسيحافظ على الشحن. حفظ التهمة يعني أن المبلغ الإجمالي لشحنة كهربائية (شحنة موجبة ناقص شحنة سالبة) لا يزال هو نفسه بالنسبة للنظام. يتيح حفظ الشحن للفيزيائيين والمهندسين حساب مقدار تحركات الشحن بين الأنظمة والمناطق المحيطة بها.

يتيح هذا المبدأ للعلماء والمهندسين إنشاء أقفاص فاراداي تستخدم الدروع المعدنية أو الطلاء لمنع الشحن من الهرب. تستخدم أقفاص فاراداي أو دروع فاراداي ميلًا للحقول الكهربائية لإعادة توزيع الشحنات داخل المادة لإلغاء تأثير الحقل ومنع الشحنات من الإضرار أو الدخول إلى الداخل. يتم استخدامها في المعدات الطبية مثل آلات التصوير بالرنين المغناطيسي ، لمنع تشويه البيانات ، وفي معدات الحماية للكهربائيين ورجال الأعمال الذين يعملون في البيئات الخطرة.

يمكنك حساب صافي تدفق الشحنة لحجم المساحة عن طريق حساب إجمالي مقدار الشحنة الداخلة وطرح المبلغ الإجمالي للمغادرة. من خلال الإلكترونات والبروتونات التي تحمل الشحنة ، يمكن إنشاء جزيئات مشحونة أو إتلافها لموازنة نفسها وفقًا للحفاظ على الشحنة.

عدد الإلكترونات في التهمة

مع العلم أن شحنة الإلكترون هي .61.602 × 10 ⁻¹⁹ C ، بتهمة −8 × 10 ⁻¹⁸ سيتكون C من 50 إلكترون. يمكنك العثور على ذلك عن طريق قسمة كمية الشحنة الكهربائية على حجم شحنة الإلكترون الواحد.

حساب الشحنة الكهربائية في الدوائر

إذا كنت تعرف التيار الكهربائي، وتدفق الشحنة الكهربائية عبر جسم ما ، والسفر عبر دائرة ، وطول فترة تطبيق التيار ، يمكنك حساب الشحنة الكهربائية باستخدام معادلة التيار Q = هذا بحيث Q هو مجموع الشحنة المقاسة في كولوم ، أنا الحالي في الامبير ، و تي هو الوقت الذي يتم تطبيق الحالي في ثوان. يمكنك أيضا استخدام قانون أوم (الخامس = IR) لحساب التيار من الجهد والمقاومة.

بالنسبة للدوائر ذات الجهد 3 فولت والمقاومة 5 for التي يتم تطبيقها لمدة 10 ثوانٍ ، فإن التيار المقابل الناتج هو أنا = الخامس / R = 3 V / 5 Ω = 0.6 A ، والتكلفة الإجمالية ستكون س = و = 0.6 أ × 10 ثانية = 6 درجة مئوية

إذا كنت تعرف الفرق المحتمل (الخامس) في فولت المطبقة في الدائرة والعمل (W) في جول تم خلال الفترة التي يتم تطبيقها ، التهمة في كولوم ، Q = W / الخامس.

صيغة الحقل الكهربائي

••• سيد حسين آذر

الحقل الكهربائي، القوة الكهربائية لكل وحدة شحن ، تنتشر شعاعيًا للخارج من الشحنات الموجبة نحو الشحنات السلبية ويمكن حسابها باستخدام E = F_E / ف، بحيث F_E هي القوة الكهربائية و ف هي الشحنة التي تنتج المجال الكهربائي. بالنظر إلى مدى أهمية المجال والقوة في إجراء العمليات الحسابية في الكهرباء والمغناطيسية ، يمكن تعريف الشحنة الكهربائية كخاصية للمادة التي تتسبب في أن يكون للجسيم قوة في وجود مجال كهربائي.

حتى إذا كانت الشبكة ، أو الكلية ، الشحنة على جسم ما هي صفر ، فإن الحقول الكهربائية تسمح بتوزيع الشحنات في أشكال مختلفة داخل الكائنات. إذا كان هناك توزيعات شحن داخلها تؤدي إلى شحن صافي غير صفري ، فهذه الكائنات الاستقطاب، والتهمة التي تسبب هذه الاستقطاب معروفة باسم رسوم ملزمة.

التهمة الصافية للكون

على الرغم من أن العلماء لا يتفقون جميعًا على ماهية الشحنة الكلية للكون ، فقد قاموا بتخمينات متعلمة واختبار الفرضيات من خلال أساليب مختلفة. قد تلاحظ أن الجاذبية هي القوة المهيمنة في الكون على النطاق الكوني ، ولأن القوة الكهرومغناطيسية أقوى بكثير من قوة الجاذبية ، إذا كان للكون شحنة صافية (إما إيجابية أو سلبية) ، فعندئذ رؤية دليل على ذلك في هذه المسافات الضخمة. عدم وجود هذا الدليل دفع الباحثين إلى الاعتقاد بأن الكون محايد.

سواء أكان الكون دائمًا محايدًا أم لا ، أو كيف تغير شحنة الكون منذ الانفجار الأعظم ، فهي أيضًا أسئلة متروكة للنقاش. إذا كان للكون شحنة صافية ، فعندئذ يجب أن يكون العلماء قادرين على قياس ميولهم وتأثيراتهم على جميع خطوط المجال الكهربائي بطريقة ، بدلاً من الاتصال من الشحنات الإيجابية إلى الشحنات السلبية ، فلن تنتهي أبدًا. يشير غياب هذه الملاحظة أيضًا إلى الحجة القائلة بأن الكون ليس له شحنة صافية.

حساب التدفق الكهربائي بتهمة

••• سيد حسين آذر

ال تدفق كهربائي من خلال منطقة مستوية (أي مسطحة) أ مجال كهربائي E هو الحقل مضروب في مكون المنطقة بشكل عمودي على الحقل. للحصول على هذا المكون المتعامد ، يمكنك استخدام جيب التمام للزاوية بين الحقل ومستوى الاهتمام في معادلة التدفق ، ممثلة بـ Φ = EA كوس (θ)، أين θ هي الزاوية بين الخط العمودي على المنطقة واتجاه المجال الكهربائي.

هذه المعادلة ، والمعروفة باسم قانون غاوس، كما يخبرك بذلك ، للأسطح مثل هذه الأسطح التي تسميها الأسطح الغوسيةأي شحنة صافية ستقع على سطح الطائرة لأنها ستكون ضرورية لإنشاء الحقل الكهربائي.

لأن هذا يعتمد على هندسة مساحة السطح المستخدمة في حساب التدفق ، فإنه يختلف حسب الشكل. لمنطقة دائرية ، ومنطقة التدفق أ سيكون π_r_² مع ص مثل نصف قطر الدائرة ، أو بالنسبة للسطح المنحني للأسطوانة ، فإن مساحة التدفق تكون الفصل بحيث C هو محيط وجه الاسطوانة الدائرية و هيدروجين هو ارتفاع الاسطوانات.

الشحن والكهرباء الساكنة

كهرباء ساكنة يظهر عندما لا يكون الجسمان في حالة توازن كهربائي (أو التوازن الكهربائي) ، أو ، أن هناك تدفق صافي للرسوم من كائن إلى آخر. عندما تفرك المواد ضد بعضها البعض ، فإنها تنقل الرسوم بين بعضها البعض. يمكن أن ينتج عن فرك الجوارب على سجادة أو مطاط بالون مضخم على شعرك هذه الأشكال من الكهرباء. الصدمة تنقل هذه الرسوم الزائدة إلى الوراء ، لإعادة تأسيس حالة من التوازن.

الموصلات الكهربائية

ل موصل (مادة تنقل الكهرباء) في حالة التوازن الكهروستاتيكي ، الحقل الكهربائي بداخله صفر ويجب أن تظل الشحنة الصافية على سطحها عند التوازن الكهروستاتيكي. هذا لأنه إذا كان هناك مجال ، فإن الإلكترونات الموجودة في الموصل ستعيد توزيعها أو تعيد محاذاة نفسها استجابةً للحقل. وبهذه الطريقة ، سيقومون بإلغاء أي حقل فور إنشاء هذا الحقل.

أسلاك الألمنيوم والنحاس هي مواد موصلة شائعة تستخدم لنقل التيارات ، وغالبًا ما تستخدم الموصلات الأيونية ، وهي حلول تستخدم الأيونات العائمة بحرية للسماح بتدفق الشحنة بسهولة. أشباه الموصلات، مثل الرقائق التي تتيح لأجهزة الكمبيوتر وظائفها ، تستخدم الإلكترونات المتداولة بحرية أيضًا ، ولكن ليس بالقدر الذي تستخدمه الموصلات. تحتاج أشباه الموصلات مثل السيليكون والجرمانيوم أيضًا إلى مزيد من الطاقة للسماح بتدوير الشحنات ولديها عمومًا موصلات منخفضة. على نقيض ذلك، العوازل مثل الخشب لا تدع تهمة تتدفق بسهولة من خلالهم.

مع عدم وجود مجال بداخله ، لسطح غاوسي يقع مباشرة داخل سطح الموصل ، يجب أن يكون الحقل صفريًا في كل مكان بحيث يكون التدفق هو الصفر. هذا يعني عدم وجود شحنة كهربائية صافية داخل الموصل. من هذا ، يمكنك استنتاج أنه بالنسبة للهياكل الهندسية المتماثلة مثل المجالات ، توزع الشحنة نفسها بشكل موحد على سطح السطح الغوسي.

قانون غاوس في حالات أخرى

نظرًا لأن الشحنة الصافية على سطح ما يجب أن تظل في حالة توازن كهروستاتيكي ، يجب أن يكون أي مجال كهربائي عموديًا على سطح الموصل للسماح للمادة بنقل شحنات. يسمح لك قانون Gausss بحساب حجم هذا المجال الكهربائي والتدفق للموصل. يجب أن يكون الحقل الكهربائي داخل الموصل صفرًا ، وفي الخارج ، يجب أن يكون عموديًا على السطح.

هذا يعني أنه بالنسبة لموصل أسطواني ذي مجال يشع من الجدران بزاوية عمودية ، فإن التدفق الكلي هو 2_E__πr_ ببساطة² لحقل كهربائي E و ص نصف قطر الوجه الدائري للموصل الاسطواني. يمكنك أيضا وصف التهمة الصافية على السطح باستخدام σ، ال كثافة الشحنة لكل وحدة مساحة ، مضروبة في المنطقة.