コンテンツ
毛皮で覆われたコートから放出される静電気であろうと、テレビに電力を供給する電気であろうと、基礎となる物理学を理解することで電荷についてさらに学ぶことができます。電荷を計算する方法は、電荷がオブジェクトを介してどのように分布するかの原理など、電気自体の性質に依存します。これらの原則は、宇宙のどこにいても同じであり、電荷を科学そのものの基本的な特性にします。
電荷式
計算には多くの方法があります 電荷 物理学と電気工学のさまざまな短所のため。
クーロン法 一般に、電荷を運ぶ粒子から生じる力を計算するときに使用され、使用する最も一般的な電荷方程式の1つです。電子は-1.602×10の個々の電荷を運びます-19 クーロン（C）、およびプロトンは同じ量を運ぶが、正の方向では1.602×10 −19 C. 2回の請求 q1 そして q2 _距離で区切られる_r, 電気力を計算できます FE クーロンの法則を使用して生成：
F_E = frac {kq_1q_2} {r ^ 2}その中で k 定数です k = 9.0 × 10 9 Nm2 / C2。物理学者とエンジニアは時々変数を使用します e 電子の電荷を指します。
反対の符号の電荷（プラスとマイナス）の場合、力は負であり、したがって、2つの電荷間で引力があることに注意してください。同じ符号の2つの電荷（プラスとプラスまたはマイナスとマイナス）の場合、力は反発します。電荷が大きいほど、それらの間の引力またはre力が強くなります。
電荷と重力：類似点
クーロンの法則は、重力に関してニュートンの法則と驚くほど類似しています。 FG = G m1m2 / r2 重力用 FG、大衆 m1そして m2、および重力定数 G = 6.674 × 10 −11 m3/ kg s2。これらは両方とも異なる力を測定し、質量または電荷が大きくなると変化し、両オブジェクト間の半径の2乗に依存します。類似性にもかかわらず、重力を覚えておくことが重要であるのは常に魅力的ですが、電気力は魅力的または反発的です。
また、法の定数の指数関数的な力の違いに基づいて、電気力は一般に重力よりもはるかに強いことに注意してください。これらの2つの法則の類似性は、宇宙の一般的な法則の対称性とパターンをより明確に示しています。
電荷の節約
システムが隔離されたままである場合（つまり、システムの外部にある他のものと接触しない場合）、料金は節約されます。 料金の節約 これは、システムの総電荷量（正電荷から負電荷を引いたもの）が同じままであることを意味します。電荷の節約により、物理学者とエンジニアは、システムとその周囲の間で電荷がどの程度移動するかを計算できます。
この原理により、科学者とエンジニアは、金属製のシールドまたはコーティングを使用して電荷が逃げないようにするファラデーケージを作成できます。ファラデーケージまたはファラデーシールドは、電界の傾向を利用して材料内の電荷を再分配し、電界の影響を相殺し、電荷が内部に侵入したり損傷したりするのを防ぎます。これらは、磁気共鳴画像装置などの医療機器で使用され、データの歪みを防ぎ、危険な環境で作業する電気技師やラインマンの保護具に使用されます。
入る総電荷量を計算し、出る電荷の総量を引くことにより、空間の体積に対する正味の電荷フローを計算できます。電荷を運ぶ電子とプロトンを介して、荷電粒子を作成または破壊して、電荷の保存に応じてバランスを取ります。
電荷中の電子の数
電子の電荷が-1.602×10であることを知る −19 C、-8×10の電荷 −18 Cは50個の電子で構成されます。これは、電荷の量を単一の電子の電荷の大きさで割ることによって見つけることができます。
回路内の電荷の計算
知っているなら 電流、オブジェクトを通る電荷の流れ、回路を通過する電流、および電流が印加される時間は、電流の式を使用して電荷を計算できます Q = それ その中で Q クーロン単位で測定された総電荷、 私 アンペア単位の電流であり、 t 電流が秒単位で適用される時間です。また、オームの法則（V = IR）電圧と抵抗から電流を計算します。
電圧3 V、抵抗5Ωが10秒間印加される回路の場合、結果として生じる対応する電流は 私 = V / R = 3 V / 5Ω= 0.6 A、および総電荷は Q =それ= 0.6 A×10 s = 6 C
電位差（V）回路と仕事に適用されるボルト（W）それが適用される期間にわたって行われたジュール、クーロン単位の電荷、 Q = W / V.
電界式
•••Syed Hussain Ather電界、単位電荷あたりの電気力は、正電荷から負電荷に向かって放射状に広がり、次のように計算できます。 E = FE / q、 その中で FE は電気力であり、 q 電界を生成する電荷です。基本的な場と力が電気と磁気の計算にとっていかに重要であるかを考えると、電荷は、電界の存在下で粒子に力を持たせる物質の特性として定義できます。
物体の正味の電荷または合計電荷がゼロであっても、電界により、物体内でさまざまな方法で電荷を分配できます。その中にゼロ以外の正味電荷をもたらす電荷分布がある場合、これらのオブジェクトは 分極された、およびこれらの分極が引き起こす電荷は 拘束料金.
宇宙の正味料金
科学者は宇宙の総電荷が何であるかについてすべてに同意するわけではありませんが、彼らは教育的な推測を行い、さまざまな方法で仮説を検証しました。宇宙のスケールでは、重力が宇宙の支配的な力であり、電磁力は重力よりもはるかに強いため、宇宙に正味の電荷（正または負）があれば、そのような巨大な距離での証拠を参照してください。この証拠がないため、研究者は宇宙が電荷中立であると考えています。
宇宙が常に電荷中立であったかどうか、またはビッグバン以降の宇宙の電荷がどのように変化したかは、議論の余地がある問題です。宇宙に正味の電荷がある場合、科学者は、正の電荷から負の電荷に接続するのではなく終了しないような方法で、すべての電界線の傾向と影響を測定できるはずです。この観測の欠如は、宇宙には正味電荷がないという議論も示しています。
電荷による電気フラックスの計算
•••Syed Hussain Atherの 電束 平面（つまり、平らな）エリア A 電界の E フィールドに、フィールドに垂直な領域のコンポーネントを掛けたものです。この垂直成分を得るには、次の式で表されるフラックスの式で、フィールドと対象平面間の角度の余弦を使用します Φ= EA cos（θ)、 どこ θ は、エリアに垂直な線と電界の方向の間の角度です。
この方程式は、 ガウスの法則、また、これらのような表面に対して、あなたが呼ぶことを教えてくれます ガウス曲面、電界を作成する必要があるため、ネットの電荷は飛行機の表面に存在します。
これは、フラックスの計算に使用されるサーフェスの領域のジオメトリに依存するため、形状によって異なります。円形領域の場合、フラックス領域 A π_r_2 と r 円の半径として、 または、円柱の曲面の場合、流束面積は Ch その中で C 円柱面の円周であり、 h シリンダーの高さです。
帯電と静電気
静電気 2つの物体が電気平衡にないときに出現する（または 静電平衡）、または、あるオブジェクトから別のオブジェクトへの正味の電荷の流れがあること。材料が互いに擦り合うと、互いに電荷が移動します。カーペットの上で靴下をこすったり、髪の毛を膨らませた風船のゴムでこすったりすると、こうした電気が発生する可能性があります。ショックはこれらの過剰な電荷を戻し、平衡状態を回復します。
電気導体
のために 導体 （電気を伝達する材料）静電平衡では、内部の電界はゼロであり、その表面の正味電荷は静電平衡に保たれなければなりません。これは、電界が存在する場合、導体内の電子が電界に応じて再分布または再配列するためです。この方法では、フィールドが作成されるとすぐにすべてのフィールドがキャンセルされます。
アルミニウムおよび銅線は、電流の伝達に使用される一般的な導体材料であり、イオン導体もよく使用されます。これは、自由に浮遊するイオンを使用して電荷を容易に通過させるソリューションです。 半導体、コンピューターを機能させるチップなど、自由に循環する電子も使用しますが、導体ほど多くは使用しません。シリコンやゲルマニウムなどの半導体も、電荷を循環させるためにより多くのエネルギーを必要とし、一般に低伝導性です。対照的に、 絶縁体 木のようなものは、電荷がそれらを通して容易に流れないようにします。
内部に電界がない場合、導体の表面のすぐ内側にあるガウス表面の場合、磁束がゼロになるように、電界はどこでもゼロでなければなりません。これは、導体内部に正味の電荷がないことを意味します。これから、球などの対称的な幾何学的構造の場合、電荷はガウス表面の表面に均一に分布していると推測できます。
他の状況でのガウス法
表面の正味電荷は静電平衡状態を維持する必要があるため、材料が電荷を伝達できるように、電場は導体の表面に垂直でなければなりません。ガウスの法則により、導体のこの電界と磁束の大きさを計算できます。導体内部の電界はゼロでなければならず、外部では表面に垂直でなければなりません。
これは、壁から垂直な角度で放射される場を持つ円筒状の導体の場合、総磁束は単純に2_E__πr_2 電界用 E そして r 円筒導体の円形面の半径。を使用して表面の正味電荷を記述することもできます σ、 電荷密度 単位面積あたり、面積を掛けたもの。