วิธีการคำนวณค่าไฟฟ้า

เนื้อหา

• สูตรค่าไฟฟ้า
• ประจุไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วง: ความคล้ายคลึงกัน
• การอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า
• จำนวนอิเล็กตรอนในประจุ
• การคำนวณประจุไฟฟ้าในวงจร
• สูตรสนามไฟฟ้า
• ค่าใช้จ่ายสุทธิของจักรวาล
• การคำนวณฟลักซ์ไฟฟ้าด้วยประจุ
• ค่าใช้จ่ายและไฟฟ้าสถิตย์
• ตัวนำไฟฟ้า
• กฎหมายเกาส์ในสถานการณ์อื่น ๆ

ไม่ว่าจะเป็นไฟฟ้าสถิตย์ที่ถูกขนออกโดยขนยาวหรือไฟฟ้าที่ให้พลังงานกับโทรทัศน์คุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับประจุไฟฟ้าโดยการเข้าใจฟิสิกส์พื้นฐาน วิธีการคำนวณประจุขึ้นอยู่กับลักษณะของกระแสไฟฟ้าเองเช่นหลักการของประจุที่กระจายตัวผ่านวัตถุ หลักการเหล่านี้เหมือนกันไม่ว่าคุณจะอยู่ที่ไหนในจักรวาลทำให้ประจุไฟฟ้าเป็นสมบัติพื้นฐานของวิทยาศาสตร์

สูตรค่าไฟฟ้า

การคำนวณมีหลายวิธี ค่าไฟฟ้า สำหรับข้อเสียต่าง ๆ ในฟิสิกส์และวิศวกรรมไฟฟ้า

กฎหมายคูลอมบ์ โดยทั่วไปจะใช้เมื่อคำนวณแรงที่เกิดจากอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าและเป็นหนึ่งในสมการประจุไฟฟ้าทั่วไปที่คุณจะใช้ อิเล็กตรอนมีประจุแต่ละตัวที่ −1.602 × 10^-19 คูลอมบ์ (C) และโปรตอนมีปริมาณเท่ากัน แต่ในทิศทางบวก 1.602 × 10 ⁻¹⁹ C. สำหรับการเรียกเก็บเงินสองครั้ง Q₁ และ Q₂ _that ถูกคั่นด้วยระยะทาง _r, คุณสามารถคำนวณแรงไฟฟ้า F_E สร้างโดยใช้กฎหมาย Coulombs:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

ซึ่งใน k เป็นค่าคงที่ k = 9.0 × 10 ⁹ นิวตันเมตร² / c². นักฟิสิกส์และวิศวกรบางครั้งใช้ตัวแปร อี เพื่ออ้างถึงประจุของอิเล็กตรอน

โปรดทราบว่าสำหรับประจุที่มีเครื่องหมายตรงข้าม (บวกและลบ) แรงจะเป็นลบและดึงดูดระหว่างประจุทั้งสอง สำหรับประจุสองอันที่มีเครื่องหมายเดียวกัน (บวกและบวกหรือลบและลบ) แรงนั้นน่ารังเกียจ ยิ่งมีประจุมากเท่าไหร่แรงที่ดึงดูดหรือแรงผลักดันก็จะยิ่งแรงมากขึ้นเท่านั้น

ประจุไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วง: ความคล้ายคลึงกัน

กฎหมายของคูลอมบ์มีความคล้ายคลึงกับกฎของนิวตันสำหรับแรงโน้มถ่วง F_{G ​} = G m₁ม.₂ / R² สำหรับแรงโน้มถ่วง F_Gฝูง ม.₁และ ม.₂และค่าคงตัวโน้มถ่วง G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ ม.³/ กก². พวกเขาทั้งสองวัดแรงที่แตกต่างกันแตกต่างกันไปตามมวลหรือประจุที่มากขึ้นและขึ้นอยู่กับรัศมีระหว่างวัตถุทั้งสองกับกำลังที่สอง แม้จะมีความคล้ายคลึงกัน แต่สิ่งสำคัญที่ต้องจำไว้คือแรงดึงดูดของแรงโน้มถ่วงนั้นน่าดึงดูดอยู่เสมอในขณะที่แรงไฟฟ้าสามารถดึงดูดหรือน่ารังเกียจ

คุณควรทราบด้วยว่าแรงไฟฟ้านั้นแรงกว่าแรงโน้มถ่วงมากโดยทั่วไปขึ้นอยู่กับความแตกต่างของกำลังเลขชี้กำลังของค่าคงที่ของกฎหมาย ความคล้ายคลึงกันระหว่างกฎหมายทั้งสองนี้เป็นตัวบ่งชี้ความสมมาตรและรูปแบบที่มากขึ้นในกฎทั่วไปของจักรวาล

การอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า

หากระบบยังคงโดดเดี่ยว (เช่นโดยไม่ต้องติดต่อกับสิ่งอื่นนอกระบบ) ระบบจะประหยัดค่าใช้จ่าย การอนุรักษ์ค่าใช้จ่าย หมายความว่าจำนวนประจุไฟฟ้าทั้งหมด (ประจุบวกลบประจุลบ) ยังคงเหมือนเดิมสำหรับระบบ การอนุรักษ์ประจุช่วยให้นักฟิสิกส์และวิศวกรคำนวณจำนวนประจุที่เคลื่อนที่ระหว่างระบบและสภาพแวดล้อม

หลักการนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรสร้างกรงฟาราเดย์ที่ใช้โล่โลหะหรือการเคลือบเพื่อป้องกันไม่ให้ประจุหลุดออกมา ฟาราเดย์กรงหรือโล่ฟาราเดย์ใช้แนวโน้มสนามไฟฟ้าเพื่อกระจายประจุภายในวัสดุอีกครั้งเพื่อยกเลิกผลกระทบของสนามและป้องกันไม่ให้ประจุถูกทำร้ายหรือเข้าสู่ภายใน เหล่านี้ใช้ในอุปกรณ์การแพทย์เช่นเครื่องถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กเพื่อป้องกันข้อมูลจากการบิดเบี้ยวและอุปกรณ์ป้องกันสำหรับช่างไฟฟ้าและ linemen ที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่เป็นอันตราย

คุณสามารถคำนวณการไหลของประจุสุทธิสำหรับปริมาตรของพื้นที่โดยการคำนวณจำนวนรวมของค่าเข้าและลบจำนวนรวมของค่าใช้จ่ายออก ผ่านอิเล็กตรอนและโปรตอนที่มีประจุจะสามารถสร้างหรือทำลายอนุภาคที่มีประจุเพื่อรักษาสมดุลของตัวเองตามการอนุรักษ์ประจุ

จำนวนอิเล็กตรอนในประจุ

รู้ว่าประจุของอิเล็กตรอนคือ −1.602 × 10 ⁻¹⁹ C, ค่าใช้จ่ายของ −8 × 10 ⁻¹⁸ C จะประกอบด้วยอิเล็กตรอน 50 ตัว คุณสามารถหาสิ่งนี้ได้โดยการหารปริมาณประจุไฟฟ้าด้วยขนาดประจุของอิเล็กตรอนเดี่ยว

การคำนวณประจุไฟฟ้าในวงจร

ถ้าคุณรู้ว่า กระแสไฟฟ้าการไหลของประจุไฟฟ้าผ่านวัตถุการเดินทางผ่านวงจรและระยะเวลาที่กระแสไฟฟ้าถูกนำไปใช้คุณสามารถคำนวณค่าไฟฟ้าโดยใช้สมการกระแส Q = มัน ซึ่งใน Q คือประจุทั้งหมดที่วัดได้ในคูลอมบ์ ผม มีกระแสเป็นแอมป์และ เสื้อ คือเวลาที่ใช้กระแสไฟฟ้าในหน่วยวินาที คุณสามารถใช้กฎของโอห์มได้V = IR) เพื่อคำนวณกระแสไฟฟ้าจากแรงดันและความต้านทาน

สำหรับวงจรที่มีแรงดันไฟฟ้า 3 V และความต้านทาน 5 Ωที่ใช้งานเป็นเวลา 10 วินาทีกระแสที่สอดคล้องกันนั้นเป็นผลลัพธ์ ผม = V / R = 3 V / 5 Ω = 0.6 A และค่าใช้จ่ายทั้งหมดจะเป็น Q = มัน = 0.6 A × 10 s = 6 C

หากคุณรู้ถึงความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นV) ในโวลต์นำไปใช้ในวงจรและการทำงาน (W) ในจูลทำได้ตามระยะเวลาที่ใช้งานประจุในคูลอมบ์ Q = W / V.

สูตรสนามไฟฟ้า

••• Syed Hussain Ather

สนามไฟฟ้าแรงไฟฟ้าต่อการประจุหนึ่งหน่วยแผ่กระจายออกไปด้านนอกจากประจุบวกไปสู่ประจุลบและสามารถคำนวณได้ E = F_E / Q, ซึ่งใน F_E คือกำลังไฟฟ้าและ Q เป็นประจุที่ก่อให้เกิดสนามไฟฟ้า เมื่อพิจารณาว่าสนามและแรงพื้นฐานมีการคำนวณในกระแสไฟฟ้าและแม่เหล็กอย่างไรประจุไฟฟ้าอาจถูกกำหนดให้เป็นสมบัติของสสารที่ทำให้อนุภาคมีแรงต่อหน้าสนามไฟฟ้า

แม้ว่าประจุไฟฟ้าหรือยอดรวมประจุของวัตถุจะเป็นศูนย์ แต่สนามไฟฟ้าอนุญาตให้มีการกระจายประจุในลักษณะต่าง ๆ ภายในวัตถุ หากมีการกระจายประจุภายในนั้นจะส่งผลให้ประจุสุทธิไม่เป็นศูนย์วัตถุเหล่านี้คือ โพลาไรซ์และประจุที่ก่อให้เกิดโพลาไรเซชันเหล่านี้เรียกว่า ค่าใช้จ่ายที่ถูกผูกไว้.

ค่าใช้จ่ายสุทธิของจักรวาล

แม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะไม่เห็นด้วยกับสิ่งที่ค่าใช้จ่ายทั้งหมดของเอกภพพวกเขาได้ทำการคาดเดาการศึกษาและทดสอบสมมติฐานด้วยวิธีการต่าง ๆ คุณอาจสังเกตเห็นว่าแรงโน้มถ่วงเป็นพลังสำคัญในเอกภพในระดับจักรวาลและเนื่องจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้านั้นแรงกว่าแรงโน้มถ่วงมากถ้าจักรวาลมีประจุสุทธิ (ทั้งบวกหรือลบ) คุณก็สามารถ เห็นหลักฐานของมันในระยะทางที่ไกลขนาดนั้น การไม่มีหลักฐานนี้ทำให้นักวิจัยเชื่อว่าจักรวาลมีความเป็นกลาง

ไม่ว่าเอกภพจะถูกเรียกเก็บเงินที่เป็นกลางเสมอไปหรือว่าการเปลี่ยนแปลงของเอกภพนั้นมีการเปลี่ยนแปลงมาตั้งแต่สมัยบิ๊กแบงหรือไม่ หากเอกภพมีประจุสุทธินักวิทยาศาสตร์ควรจะสามารถวัดแนวโน้มและผลกระทบต่อเส้นสนามไฟฟ้าทั้งหมดด้วยวิธีนั้นแทนที่จะเชื่อมต่อจากประจุบวกกับประจุลบพวกมันจะไม่มีวันสิ้นสุด การไม่มีการสังเกตนี้ชี้ไปที่การโต้แย้งว่าจักรวาลไม่มีประจุสุทธิ

การคำนวณฟลักซ์ไฟฟ้าด้วยประจุ

••• Syed Hussain Ather

ฟลักซ์ไฟฟ้า ผ่านพื้นที่ภาพถ่าย (เช่นแบน) ของสนามไฟฟ้า E คือสนามที่คูณด้วยองค์ประกอบของพื้นที่ที่ตั้งฉากกับสนาม ในการรับองค์ประกอบตั้งฉากนี้คุณใช้โคไซน์ของมุมระหว่างสนามกับระนาบที่น่าสนใจในสูตรสำหรับฟลักซ์แทนด้วย Φ = EA cos (θ)ที่ไหน θ คือมุมระหว่างเส้นตั้งฉากกับพื้นที่และทิศทางของสนามไฟฟ้า

สมการนี้เรียกว่า กฎหมายเกาส์ยังบอกคุณด้วยว่าสำหรับพื้นผิวเช่นพื้นผิวเหล่านี้ซึ่งคุณโทรหา ผิวเกาส์เซียนประจุสุทธิใด ๆ จะอยู่บนพื้นผิวของระนาบเพราะมันจำเป็นต้องสร้างสนามไฟฟ้า

เนื่องจากสิ่งนี้ขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของพื้นที่ของพื้นผิวที่ใช้ในการคำนวณฟลักซ์จึงแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับรูปร่าง สำหรับพื้นที่วงกลมพื้นที่ฟลักซ์ จะเป็นπ_r_² กับ R ตามรัศมีของวงกลม หรือสำหรับพื้นผิวโค้งของทรงกระบอกพื้นที่การไหลจะเป็น Ch ซึ่งใน C เป็นเส้นรอบวงของใบหน้ากระบอกกลมและ ชั่วโมง คือความสูงของกระบอกสูบ

ค่าใช้จ่ายและไฟฟ้าสถิตย์

ไฟฟ้าสถิตย์ เกิดขึ้นเมื่อวัตถุสองชิ้นไม่อยู่ในสภาวะสมดุลทางไฟฟ้า (หรือ สมดุลไฟฟ้าสถิต) หรือว่ามีประจุสุทธิไหลจากวัตถุหนึ่งไปอีกวัตถุหนึ่ง เมื่อวัสดุขัดกันพวกเขาถ่ายโอนประจุระหว่างกัน การถูถุงเท้าบนพรมหรือยางของลูกโป่งที่พองลมบนเส้นผมของคุณอาจทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในรูปแบบนี้ ช็อตจะถ่ายโอนประจุส่วนเกินเหล่านี้กลับคืนมาเพื่อสร้างสภาวะสมดุลอีกครั้ง

ตัวนำไฟฟ้า

สำหรับ ตัวนำ (วัสดุที่ส่งกระแสไฟฟ้า) ในสมดุลไฟฟ้าสถิตสนามไฟฟ้าภายในเป็นศูนย์และประจุสุทธิบนพื้นผิวจะยังคงอยู่ที่สมดุลไฟฟ้าสถิต นี่เป็นเพราะถ้ามีสนามอิเล็กตรอนในตัวนำจะกระจายหรือจัดตำแหน่งตัวเองใหม่เพื่อตอบสนองต่อสนาม ด้วยวิธีนี้พวกเขาจะยกเลิกฟิลด์ใด ๆ ทันทีที่มันจะถูกสร้างขึ้น

ลวดอลูมิเนียมและทองแดงเป็นวัสดุตัวนำทั่วไปที่ใช้ในการส่งกระแสและตัวนำอิออนิคก็มักจะใช้ซึ่งเป็นวิธีการแก้ปัญหาที่ใช้ไอออนลอยอิสระ กึ่งตัวนำเช่นชิปที่ให้คอมพิวเตอร์ทำงานได้อย่างอิสระใช้อิเล็กตรอนที่ไหลเวียนอย่างอิสระเช่นกัน แต่ไม่มากเท่ากับตัวนำ กึ่งตัวนำเช่นซิลิกอนและเจอร์เมเนียมยังต้องการพลังงานมากขึ้นเพื่อให้ประจุหมุนเวียนและโดยทั่วไปมีค่าความนำไฟฟ้าต่ำ ตรงกันข้าม, ฉนวน เช่นไม้อย่าปล่อยให้ประจุไหลผ่านได้ง่าย

หากไม่มีสนามในสำหรับผิวเกาส์เซียนที่อยู่ภายในพื้นผิวของตัวนำสนามต้องเป็นศูนย์ทุกแห่งเพื่อให้ฟลักซ์เป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าไม่มีประจุไฟฟ้าสุทธิภายในตัวนำ จากสิ่งนี้คุณสามารถอนุมานได้ว่าสำหรับโครงสร้างทางเรขาคณิตสมมาตรเช่นทรงกลมประจุจะกระจายตัวสม่ำเสมอบนพื้นผิวของผิวเกาส์เซียน

กฎหมายเกาส์ในสถานการณ์อื่น ๆ

เนื่องจากประจุสุทธิบนพื้นผิวจะต้องคงอยู่ในสมดุลไฟฟ้าสถิตสนามไฟฟ้าใด ๆ จะต้องตั้งฉากกับพื้นผิวของตัวนำเพื่อให้วัสดุส่งประจุ กฎเกาส์ช่วยให้คุณสามารถคำนวณขนาดของสนามไฟฟ้าและฟลักซ์สำหรับตัวนำได้ สนามไฟฟ้าภายในตัวนำต้องเป็นศูนย์และข้างนอกจะต้องตั้งฉากกับพื้นผิว

ซึ่งหมายความว่าสำหรับตัวนำทรงกระบอกที่มีสนามแผ่ออกมาจากผนังในมุมตั้งฉากฟลักซ์รวมนั้นเป็นเพียง2_E__πr_² สำหรับสนามไฟฟ้า E และ R รัศมีของใบหน้ากลมของตัวนำทรงกระบอก คุณยังสามารถอธิบายค่าประจุสุทธิบนพื้นผิวได้โดยใช้ σ, ค่าความหนาแน่น ต่อหน่วยพื้นที่คูณด้วยพื้นที่