Перейти к содержанию

Электрический заряд и кулон

Ток, напряжение и ёмкость батарейки — всё это величины, построенные на одной базовой: электрическом заряде. Ток — сколько заряда проходит за секунду, напряжение — сколько энергии приходится на единицу заряда, миллиампер-часы — сколько заряда хранит аккумулятор.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Электрический заряд (Q) — количество электричества, которое несёт тело или проходит через проводник. Единица — кулон (Кл). Kuphaldt определяет кулон через число электронов: 1 Кл — избыток или недостаток около 6 250 000 000 000 000 000 (6,25·10¹⁸) электронов, а заряд одного электрона — около 0,16·10⁻¹⁸ Кл (т. I, гл. 1). Единица названа в честь Шарля Кулона, который в 1780-х измерил силу между заряженными телами.

Заряд в формулах цепей

ВеличинаЧерез зарядПример (наш расчёт)
Ток1 А = 1 Кл/с, Q = I · t20 мА за 60 с — 1,2 Кл
Напряжение1 В = 1 Дж/Кл, W = U · Q9 В · 1,2 Кл = 10,8 Дж
Ёмкость аккумулятора1 А·ч = 3600 Кл2000 мА·ч = 7200 Кл
Ёмкость конденсатораQ = C · U100 мкФ при 5 В — 0,5 мКл

Определения ампера и вольта через кулон — Kuphaldt, т. I, гл. 2: батарейка 9 В отдаёт 9 Дж энергии на каждый кулон, прошедший через цепь. Отсюда видно, что ёмкость аккумулятора в мА·ч — это запас заряда, а энергию в ватт-часах получают умножением на напряжение. Про заряд конденсатора — в термине «Электрическая ёмкость».

Знак и направление

Заряды бывают двух видов: одноимённые отталкиваются, разноимённые притягиваются. Сила велика: два точечных заряда по 1 Кл на расстоянии 1 м действовали бы друг на друга с силой около 9 млрд ньютонов (Kuphaldt, гл. 1). Носители тока в металлах — электроны с отрицательным зарядом, поэтому их движение противоположно условному направлению тока на схемах; подробнее — в термине «Направление тока».

Статическое электричество

Если заряд накоплен на изоляторе и не движется, его называют статическим электричеством: избыток или недостаток электронов, возникший при соприкосновении и разделении разных материалов. Kuphaldt отмечает, что статическое электричество повреждает чувствительную полупроводниковую электронику (гл. 1) — отсюда меры защиты от электростатического разряда.

Начать с основ можно с урока «Напряжение, ток и сопротивление», а перевести мА·ч и кулоны — конвертером единиц.

Частые вопросы

Сколько электронов в одном кулоне?

Около 6,25·10¹⁸. Соответственно, заряд одного электрона — около 1,6·10⁻¹⁹ Кл (Kuphaldt, т. I, гл. 1 и 2).

Как связаны заряд, ток и время?

Ток — это заряд за единицу времени: 1 ампер — это 1 кулон в секунду, поэтому Q = I · t. Например, ток 20 мА за минуту переносит 0,02 · 60 = 1,2 Кл (наш расчёт). Энергия, которую при этом отдаёт источник, равна W = U · Q.

Сколько кулонов в аккумуляторе на 2000 мА·ч?

Ампер-час — это заряд, который переносит ток 1 А за час, то есть 3600 Кл. 2000 мА·ч = 2 А·ч = 7200 Кл (наш пересчёт по определению ампера как кулона в секунду). Ёмкость аккумулятора в мА·ч — это именно запас заряда, а не энергии.

Источники

  1. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. I — DC, ch. 1 «Basic Concepts of Electricity», CC BY — разд. «Static electricity»: заряды двух видов, притяжение разноимённых и отталкивание одноимённых; статическое электричество — неподвижное накопленное избыточное или недостающее количество электронов; Кулон в 1780-х измерил силу между заряженными телами, единица названа в его честь; два точечных заряда по 1 Кл на расстоянии 1 м действуют с силой около 9 млрд Н; 1 Кл — избыток или недостаток около 6 250 000 000 000 000 000 электронов, заряд электрона около 0,16·10⁻¹⁸ Кл; статическое электричество повреждает чувствительную полупроводниковую электронику
  2. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. I — DC, ch. 2 «Ohm's Law», CC BY — разд. «How voltage, current, and resistance relate»: 1 Кл = 6 250 000 000 000 000 000 электронов, обозначение заряда Q, единица C; ампер — 1 кулон электронов, проходящий через данную точку за 1 секунду; 1 вольт — 1 джоуль электрической потенциальной энергии на 1 кулон, батарейка 9 В отдаёт 9 Дж на каждый кулон

Нашли ошибку?

Смотрите также