Como calcular a carga elétrica

Contente

• Fórmula de carga elétrica
• Carga e gravidade elétricas: semelhanças
• Conservação de Carga Elétrica
• O número de elétrons em uma carga
• Cálculo de carga elétrica em circuitos
• Fórmula de campo elétrico
• A carga líquida do universo
• Cálculo do fluxo elétrico com carga
• Carga e eletricidade estática
• Condutores elétricos
• Lei de Gauss em outras situações

Seja a eletricidade estática emitida por um casaco peludo ou a eletricidade que alimenta os aparelhos de televisão, você pode aprender mais sobre a carga elétrica, entendendo a física subjacente. Os métodos para calcular a carga dependem da natureza da própria eletricidade, como princípios de como a carga se distribui através de objetos. Esses princípios são os mesmos, não importa onde você esteja no universo, tornando a carga elétrica uma propriedade fundamental da própria ciência.

Fórmula de carga elétrica

Existem muitas maneiras de calcular carga elétrica por vários contras em física e engenharia elétrica.

Lei de Coulombs é geralmente usada no cálculo da força resultante de partículas que carregam carga elétrica e é uma das equações de carga elétrica mais comuns que você usará. Os elétrons carregam cargas individuais de -1,602 × 10^-19 coulombs (C) e prótons carregam a mesma quantidade, mas na direção positiva, 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C. Por duas cobranças q₁ e q₂ _que são separados por uma distância _r, você pode calcular a força elétrica F_E gerado usando a lei de Coulombs:

F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}

no qual k é uma constante k = 9.0 × 10 ⁹ Nm² / C². Físicos e engenheiros às vezes usam a variável e para se referir à carga de um elétron.

Observe que, para cargas de sinais opostos (mais e menos), a força é negativa e, portanto, atraente entre as duas cargas. Para duas cargas do mesmo sinal (mais e mais ou menos e menos), a força é repulsiva. Quanto maiores as cargas, maior a força de atração ou repulsão entre elas.

Carga e gravidade elétricas: semelhanças

A lei de Coulombs tem uma semelhança impressionante com a lei de Newton para força gravitacional F_{G ​} = G m₁m₂ / r² para força gravitacional F_Gmassas m₁e m₂e constante gravitacional G = 6.674 × 10 ⁻¹¹ m³/ kg s². Ambos medem forças diferentes, variam com maior massa ou carga e dependem do raio entre os dois objetos para a segunda potência. Apesar das semelhanças, é importante lembrar que as forças gravitacionais são sempre atraentes, enquanto as forças elétricas podem ser atraentes ou repulsivas.

Você também deve observar que a força elétrica geralmente é muito mais forte que a gravidade, com base nas diferenças no poder exponencial das constantes das leis. As semelhanças entre essas duas leis são uma indicação maior de simetria e padrões entre as leis comuns do universo.

Conservação de Carga Elétrica

Se um sistema permanecer isolado (ou seja, sem contato com mais nada fora dele), ele economizará carga. Conservação de carga significa que a quantidade total de carga elétrica (carga positiva menos carga negativa) permanece a mesma para o sistema. A conservação de carga permite que físicos e engenheiros calculem quanto de carga se move entre os sistemas e seus arredores.

Esse princípio permite que cientistas e engenheiros criem gaiolas de Faraday que usam blindagens ou revestimentos metálicos para impedir que a carga escape. As gaiolas de Faraday ou os escudos de Faraday usam uma tendência de campos elétricos para redistribuir as cargas dentro do material para cancelar o efeito do campo e impedir que as cargas danifiquem ou entrem no interior. Eles são usados ​​em equipamentos médicos, como máquinas de ressonância magnética, para evitar distorção dos dados, e em equipamentos de proteção para eletricistas e atacantes que trabalham em ambientes perigosos.

Você pode calcular o fluxo de carga líquida para um volume de espaço calculando a quantidade total de carga que entra e subtrai a quantidade total de carga restante. Através de elétrons e prótons que carregam carga, partículas carregadas podem ser criadas ou destruídas para se equilibrar de acordo com a conservação da carga.

O número de elétrons em uma carga

Sabendo que a carga de um elétron é -1,602 × 10 ⁻¹⁹ C, uma carga de −8 × 10 ⁻¹⁸ C seria composto de 50 elétrons. Você pode encontrar isso dividindo a quantidade de carga elétrica pela magnitude da carga de um único elétron.

Cálculo de carga elétrica em circuitos

Se você conhece o corrente elétrica, o fluxo de carga elétrica através de um objeto, viajando através de um circuito e por quanto tempo a corrente é aplicada, você pode calcular a carga elétrica usando a equação da corrente Q = isto no qual Q é a carga total medida em coulombs, Eu é atual em amperes e t é o tempo em que a corrente é aplicada em segundos. Você também pode usar a lei de Ohms (V = IR) para calcular a corrente de tensão e resistência.

Para um circuito com tensão 3 V e resistência 5 Ω aplicada por 10 segundos, a corrente correspondente resultante é Eu = V / R = 3 V / 5 Ω = 0,6 A, e a carga total seria Q = It = 0,6 A × 10 s = 6 C.

Se você souber a diferença de potencial (V) em volts aplicados em um circuito e o trabalho (W) em joules realizados durante o período de aplicação, a carga em coulombs, Q = W / V.

Fórmula de campo elétrico

••• Syed Hussain Ather

Campo elétrico, a força elétrica por unidade de carga, se espalha radialmente para fora de cargas positivas em direção a cargas negativas e pode ser calculada com E = F_E / q, no qual F_E é a força elétrica e q é a carga que produz o campo elétrico. Dado o campo e a força fundamentais dos cálculos de eletricidade e magnetismo, a carga elétrica pode ser definida como a propriedade da matéria que faz com que uma partícula tenha força na presença de um campo elétrico.

Mesmo que a carga líquida, ou total, de um objeto seja zero, os campos elétricos permitem que as cargas sejam distribuídas de várias maneiras dentro dos objetos. Se houver distribuições de carga dentro delas que resultem em uma carga líquida diferente de zero, esses objetos serão polarizadoe a carga que essas polarizações causam são conhecidas como cobranças vinculadas.

A carga líquida do universo

Embora os cientistas nem todos concordem sobre qual é a carga total do universo, eles fizeram suposições educadas e testaram hipóteses através de vários métodos. Você pode observar que a gravidade é a força dominante no universo na escala cosmológica e, porque a força eletromagnética é muito mais forte que a força gravitacional, se o universo tiver uma carga líquida (positiva ou negativa), você poderá veja evidências disso a grandes distâncias. A ausência dessas evidências levou os pesquisadores a acreditar que o universo é neutro em termos de carga.

Se o universo sempre foi neutro em termos de carga ou como a carga do universo mudou desde o big bang também são questões que estão em debate. Se o universo tivesse uma carga líquida, os cientistas deveriam poder medir suas tendências e efeitos em todas as linhas de campo elétrico de uma maneira que, em vez de conectar de cargas positivas a cargas negativas, eles nunca terminassem. A ausência dessa observação também aponta para o argumento de que o universo não tem carga líquida.

Cálculo do fluxo elétrico com carga

••• Syed Hussain Ather

o fluxo eletrico através de uma área plana (isto é, plana) UMA de um campo elétrico E é o campo multiplicado pelo componente da área perpendicular ao campo. Para obter esse componente perpendicular, use o cosseno do ângulo entre o campo e o plano de interesse na fórmula do fluxo, representada por Φ = EA cos (θ), Onde θ é o ângulo entre a linha perpendicular à área e a direção do campo elétrico.

Essa equação, conhecida como Lei Gausss, também informa que, para superfícies como essas, que você chama de Superfícies gaussianas, qualquer carga líquida residiria em sua superfície do avião porque seria necessário criar o campo elétrico.

Como isso depende da geometria da área da superfície usada no cálculo do fluxo, ela varia dependendo da forma. Para uma área circular, a área de fluxo UMA seria π_r_² com r como o raio do círculo, ou para a superfície curva de um cilindro, a área de fluxo seria CH no qual C é a circunferência da face circular do cilindro e h é a altura dos cilindros.

Carga e eletricidade estática

Eletricidade estática surge quando dois objetos não estão em equilíbrio elétrico (ou equilíbrio eletrostático) ou que haja um fluxo líquido de cobranças de um objeto para outro. À medida que os materiais se esfregam, eles transferem cargas entre si. Esfregar meias em um tapete ou a borracha de um balão inflado no cabelo pode gerar essas formas de eletricidade. O choque transfere essas cargas em excesso de volta, para restabelecer um estado de equilíbrio.

Condutores elétricos

Para condutor (um material que transmite eletricidade) em equilíbrio eletrostático, o campo elétrico interno é zero e a carga líquida em sua superfície deve permanecer em equilíbrio eletrostático. Isso ocorre porque, se houvesse um campo, os elétrons no condutor se redistribuiriam ou se realinhariam em resposta ao campo. Dessa forma, eles cancelariam qualquer campo no instante em que seria criado.

Os fios de alumínio e cobre são materiais condutores comuns usados ​​para transmitir correntes, e também são frequentemente usados ​​condutores iônicos, que são soluções que usam íons flutuando livremente para permitir que a carga flua facilmente. Semicondutores, como os chips que permitem que os computadores funcionem, também usam elétrons que circulam livremente, mas não tantos quanto os condutores. Semi-condutores como silício e germânio também requerem mais energia para permitir a circulação de cargas e geralmente têm baixas condutividades. Por contraste, isoladores como madeira, não permita que a carga flua facilmente através deles.

Sem campo interno, para uma superfície gaussiana que fica logo abaixo da superfície do condutor, o campo deve ser zero em todos os lugares, para que o fluxo seja zero. Isso significa que não há carga elétrica líquida dentro do condutor. A partir disso, é possível deduzir que, para estruturas geométricas simétricas como esferas, a carga se distribui uniformemente na superfície da superfície gaussiana.

Lei de Gauss em outras situações

Como a carga líquida em uma superfície deve permanecer em equilíbrio eletrostático, qualquer campo elétrico deve ser perpendicular à superfície de um condutor para permitir que o material transmita cargas. A lei de Gauss permite calcular a magnitude desse campo elétrico e fluxo para o condutor. O campo elétrico dentro de um condutor deve ser zero e, fora, deve ser perpendicular à superfície.

Isso significa que, para um condutor cilíndrico com campo irradiando das paredes em um ângulo perpendicular, o fluxo total é simplesmente 2_E__πr_² para um campo elétrico E e r raio da face circular do condutor cilíndrico. Você também pode descrever a carga líquida na superfície usando σ, a densidade de carga por unidade de área, multiplicado pela área.