Comment calculer la charge électrique

Contenu

• Formule de charge électrique
• Charge électrique et gravité: similitudes
• Conservation de la charge électrique
• Le nombre d'électrons dans une charge
• Calcul de la charge électrique dans des circuits
• Formule de champ électrique
• La charge nette de l'univers
• Calcul du flux électrique avec charge
• Électricité de charge et statique
• Conducteurs électriques
• La loi de Gauss dans d'autres situations

Qu'il s'agisse de l'électricité statique dégagée par un manteau de fourrure ou de l'électricité qui alimente les téléviseurs, vous pouvez en apprendre davantage sur la charge électrique en comprenant la physique sous-jacente. Les méthodes de calcul de la charge dépendent de la nature même de l’électricité, telles que les principes de répartition de la charge à travers des objets. Ces principes sont les mêmes où que vous soyez dans l'univers, faisant de la charge électrique une propriété fondamentale de la science elle-même.

Formule de charge électrique

Il y a plusieurs façons de calculer charge électrique pour divers inconvénients en physique et en génie électrique.

La loi de coulomb est généralement utilisé pour calculer la force résultant de particules chargées de charge électrique et est l’une des équations de charge électrique les plus courantes que vous utiliserez. Les électrons portent des charges individuelles de -1,602 × 10^-19 coulombs (C), et les protons portent la même quantité, mais dans le sens positif, 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. Pour deux accusations q₁ et q₂ _qui sont séparés par une distance _r, vous pouvez calculer la force électrique F_E généré à l'aide de la loi de Coulombs:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

dans lequel k est une constante k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Les physiciens et les ingénieurs utilisent parfois la variable e se référer à la charge d'un électron.

Notez que, pour les charges de signes opposés (plus et moins), la force est négative et, par conséquent, attractive entre les deux charges. Pour deux charges du même signe (plus et plus ou moins et moins), la force est répulsive. Plus les charges sont élevées, plus la force d'attraction ou de répulsion est forte entre elles.

Charge électrique et gravité: similitudes

La loi de Coulombs présente une similitude frappante avec la loi de Newton pour la force de gravitation F_{g ​} = G m₁m₂ / r² pour la force de gravitation F_g, des masses m₁et m₂et constante de gravitation g = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Ils mesurent tous les deux des forces différentes, varient avec une masse ou une charge supérieure et dépendent du rayon entre les deux objets et la deuxième puissance. Malgré les similitudes, il est important de se rappeler que les forces gravitationnelles sont toujours attractives, alors que les forces électriques peuvent être attractives ou répulsives.

Vous devriez également noter que la force électrique est généralement beaucoup plus forte que la gravité basée sur les différences de puissance exponentielle des constantes des lois. Les similitudes entre ces deux lois sont une indication plus grande de la symétrie et des modèles parmi les lois communes de l'univers.

Conservation de la charge électrique

Si un système reste isolé (c'est-à-dire sans contact avec quoi que ce soit en dehors de celui-ci), il conservera la charge. Conservation de la charge signifie que la quantité totale de charge électrique (charge positive moins la charge négative) reste la même pour le système. La conservation de la charge permet aux physiciens et aux ingénieurs de calculer la charge de charge qui se déplace entre les systèmes et leur environnement.

Ce principe permet aux scientifiques et aux ingénieurs de créer des cages de Faraday utilisant des boucliers métalliques ou un revêtement pour empêcher les charges de s'échapper. Les cages Faraday ou les boucliers Faraday utilisent une tendance des champs électriques à redistribuer les charges dans le matériau afin d’annuler les effets du champ et d’empêcher les charges de se blesser ou de pénétrer à l’intérieur. Celles-ci sont utilisées dans des équipements médicaux tels que les machines d'imagerie par résonance magnétique, pour empêcher la déformation des données, ainsi que dans les équipements de protection des électriciens et monteurs de lignes travaillant dans des environnements dangereux.

Vous pouvez calculer le flux de charge net pour un volume d’espace en calculant le montant total de la charge qui entre et soustrait le montant total de la charge qui reste. Grâce aux électrons et aux protons chargés, des particules chargées peuvent être créées ou détruites pour s'équilibrer en fonction de la conservation de la charge.

Le nombre d'électrons dans une charge

Sachant que la charge d'un électron est −1.602 × 10 ⁻¹⁹ C, une charge de -8 × 10 ⁻¹⁸ C serait composé de 50 électrons. Vous pouvez le trouver en divisant la quantité de charge électrique par la magnitude de la charge d'un seul électron.

Calcul de la charge électrique dans des circuits

Si vous connaissez le courant électrique, le flux de charge électrique à travers un objet, le parcours d’un circuit et la durée d’application du courant, vous pouvez calculer la charge électrique à l’aide de l’équation du courant Q = Il dans lequel Q est la charge totale mesurée en coulombs, je est en courant, et t est le temps que le courant est appliqué en secondes. Vous pouvez également utiliser la loi Ohms (V = IR) pour calculer le courant à partir de la tension et de la résistance.

Pour un circuit de tension 3 V et de résistance 5 Ω qui est appliqué pendant 10 secondes, le courant correspondant obtenu est je = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A et la charge totale serait de Q = It = 0,6 A × 10 s = 6 ° C

Si vous connaissez la différence de potentiel (V) en volts appliqués dans un circuit et l'œuvre (W) en joules, pendant la période d'application, la charge en coulombs, Q = W / V.

Formule de champ électrique

••• Syed Hussain Ather

Champ électrique, la force électrique par unité de charge, se propage radialement vers l'extérieur des charges positives vers les charges négatives et peut être calculée avec E = F_E / q, dans lequel F_E est la force électrique et q est la charge qui produit le champ électrique. Compte tenu de la force et du champ fondamentaux des calculs en électricité et en magnétisme, la charge électrique peut être définie comme la propriété de la matière qui provoque la force d’une particule en présence d’un champ électrique.

Même si la charge nette ou totale d'un objet est égale à zéro, les champs électriques permettent de répartir les charges de différentes manières à l'intérieur des objets. Si elles contiennent des distributions de charges qui entraînent une charge nette non nulle, ces objets sont polarisé, et la charge que ces polarisations causent sont connus comme charges liées.

La charge nette de l'univers

Bien que les scientifiques ne s'accordent pas tous sur la charge totale de l'univers, ils ont émis des suppositions éclairées et testé des hypothèses par diverses méthodes. Vous remarquerez peut-être que la gravité est la force dominante de l’univers à l’échelle cosmologique et que, comme la force électromagnétique est beaucoup plus puissante que la force de gravitation, si l’univers avait une charge nette (positive ou négative), vous pourrez alors: voir des preuves de cela à de si grandes distances. L'absence de ces preuves a conduit les chercheurs à penser que l'univers est neutre en termes de charge.

La question de savoir si l'univers a toujours été neutre en matière de facturation ou comment la charge de l'univers a changé depuis le big bang sont également des questions à débattre. Si l'univers avait une charge nette, les scientifiques devraient être en mesure de mesurer leurs tendances et leurs effets sur toutes les lignes de champ électrique de manière à ce que, au lieu d'être reliées de charges positives à des charges négatives, elles ne se terminent jamais. L'absence de cette observation indique également l'argument selon lequel l'univers n'a pas de charge nette.

Calcul du flux électrique avec charge

••• Syed Hussain Ather

le flux électrique à travers une zone plane (c'est-à-dire plate) UNE d'un champ électrique E est le champ multiplié par la composante de l'aire perpendiculaire au champ. Pour obtenir cette composante perpendiculaire, utilisez le cosinus de l'angle entre le champ et le plan d'intérêt dans la formule de flux, représentée par Φ = EA cos (θ), où θ est l'angle entre la ligne perpendiculaire à la surface et la direction du champ électrique.

Cette équation, appelée Loi de Gauss, vous indique également que, pour des surfaces comme celles-ci, que vous appelez Surfaces gaussiennes, toute charge nette résiderait sur sa surface de l’avion car il serait nécessaire de créer le champ électrique.

Comme cela dépend de la géométrie de la surface utilisée pour calculer le flux, cela varie en fonction de la forme. Pour une zone circulaire, la zone de flux UNE serait π_r_² avec r comme le rayon du cercle, ou pour la surface incurvée d'un cylindre, la zone de flux serait Ch dans lequel C est la circonférence de la face cylindrique circulaire et h est la hauteur des cylindres.

Électricité de charge et statique

Électricité statique émerge lorsque deux objets ne sont pas à l'équilibre électrique (ou équilibre électrostatique), ou qu’il existe un flux net de charges d’un objet à un autre. Lorsque les matériaux se frottent les uns contre les autres, ils transfèrent les charges entre eux. Frotter des chaussettes sur un tapis ou le caoutchouc d'un ballon gonflé sur vos cheveux peut générer ces formes d'électricité. Le choc transfère ces excès de charges pour rétablir un état d'équilibre.

Conducteurs électriques

Pour un conducteur (un matériau qui transmet de l’électricité) en équilibre électrostatique, le champ électrique à l’intérieur est nul et la charge nette à sa surface doit rester à l’équilibre électrostatique. En effet, s'il y avait un champ, les électrons du conducteur se redistribueraient ou se ré-aligneraient en réponse au champ. De cette façon, ils annuleraient n'importe quel champ à l'instant où il serait créé.

Les fils d’aluminium et de cuivre sont des matériaux conducteurs couramment utilisés pour transmettre les courants, ainsi que les conducteurs ioniques. Ce sont des solutions qui utilisent des ions flottant librement pour permettre à la charge de circuler facilement. Semi-conducteurs, tels que les puces qui permettent aux ordinateurs de fonctionner, utilisent également des électrons à circulation libre, mais pas autant que les conducteurs. Les semi-conducteurs tels que le silicium et le germanium nécessitent également plus d'énergie pour permettre aux charges de circuler et ont généralement une conductivité faible. Par contre, isolateurs tels que le bois ne laisse pas la charge s’écouler facilement à travers eux.

Sans champ à l'intérieur, pour une surface gaussienne située juste à l'intérieur de la surface du conducteur, le champ doit être nul partout pour que le flux soit nul. Cela signifie qu'il n'y a pas de charge électrique nette à l'intérieur du conducteur. On peut en déduire que, pour les structures géométriques symétriques telles que les sphères, la charge se répartit uniformément sur la surface de la surface gaussienne.

La loi de Gauss dans d'autres situations

Étant donné que la charge nette sur une surface doit rester en équilibre électrostatique, tout champ électrique doit être perpendiculaire à la surface d'un conducteur pour permettre au matériau de transmettre des charges. La loi de Gauss vous permet de calculer la magnitude de ce champ électrique et de ce flux pour le conducteur. Le champ électrique à l'intérieur d'un conducteur doit être nul et, à l'extérieur, il doit être perpendiculaire à la surface.

Cela signifie que, pour un conducteur cylindrique dont le champ rayonne perpendiculairement aux murs, le flux total est simplement égal à 2_E__πr_² pour un champ électrique E et r rayon de la face circulaire du conducteur cylindrique. Vous pouvez également décrire la charge nette sur la surface en utilisant σ, le densité de charge par unité de surface, multiplié par la surface.