В темата за електрическото поле обсъдихме дефиницията и формулата за електрическо поле, които могат да се използват за изчисляване на силата на електрическото поле, произведена от един електрически заряд, няколко електрически заряда или от разпределение на електрическите заряди. Изчисляването на силата на електрическото поле, произведена от един електрически заряд или два електрически заряда, се решава лесно с помощта на формулата за силата на електрическото поле. Ако се изчислява силата на електрическото поле, произведена от разпределение на електрическия заряд, изчислението е по-сложно, ако се използва формулата за силата на електрическото поле, но е по-лесно, ако се използва законът на Гаус . Преди да изучите задълбочено закона на Гаус, първо трябва да разберете електрическия поток, защото концепцията за електрически поток се използва в закона на Гаус.
Разбиране на електрическия поток
Думата „флукс“ произлиза от латинската дума fluere , която означава да теча. Буквално, електрическият поток може да се определи като поток на електрическо поле. Думата „поток“ тук не означава електрическо поле, течащо като течаща вода, а по-скоро описва наличието на електрическо поле, което сочи в определена посока. В темата за линиите на електрическото поле беше обяснено, че електрическите полета се визуализират или изобразяват с помощта на линии на електрическото поле, следователно потокът също се изобразява като линии на електрическото поле. Така че потокът са линиите на електрическото поле, които преминават през определена повърхност, както е показано на изображението по-долу.
Формула
Математически, електрическият поток е произведението на електрическото поле (E), повърхността (A) и косинуса на ъгъла между
линии на електрическото поле с нормални линии, перпендикулярни на повърхността.
Φ = EA cos θ ……………. (Уравнение 1)
Ако линиите на електрическото поле са перпендикулярни на повърхността, през която преминават, както е показано на картинката, тогава ъгълът между линиите на електрическото поле и нормалната линия е 0o, където cos 0o = 1. Следователно формулата
трансформирано в:
Φ = EA cos 0o = EA (1)
Φ = EA ……………. (Уравнение 2)
Въз основа на горната формула за магнитен поток могат да се направят няколко заключения. Първо , магнитният поток е с максимална стойност, когато линията на електрическото поле е перпендикулярна на повърхността, защото при това условие ъгълът между линията на електрическото поле и нормалата е 0 ° , където косинусната стойност от 0 ° е 1. Второ , магнитният поток е с минимална стойност, когато линията на електрическото поле е успоредна на повърхността, защото при това условие ъгълът между линията на електрическото поле и нормалата е 90 ° , където косинусната стойност от 90 ° е 0. Трето , магнитният поток зависи от електрическото поле (E) и повърхността (A). В допълнение към правоъгълната повърхност, както в горния пример, повърхността може да бъде и сферична и други.
Покрита повърхност
Електрическият поток, описан по-рано, използва примера с отворена повърхност (квадратна или правоъгълна повърхност). А какво да кажем за потока върху затворена повърхност, като куб, блок или сфера? Да предположим, че има линии на електрическото поле, преминаващи през блока, както е показано на фигурата по-долу.
Линиите на електрическото поле, оцветени в синьо, съвпадат с горната и долната повърхност на лъча, образувайки ъгъл от 90°o с нормалните линии на горната и долната повърхности. По този начин потокът върху горната и долната повърхности на лъча е Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Линиите на електрическото поле, оцветени в жълто, съвпадат с дясната и лявата странични повърхности на лъча, така че да образуват ъгъл от 90°.o с нормалните линии на лявата и дясната странични повърхности. По този начин потокът върху дясната и лявата странични повърхности на блока е Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Линиите на електрическото поле, оцветени в червено, са перпендикулярни на предната и задната повърхности на блока, образувайки ъгъл от 0o с нормалните линии на предната и задната повърхност. Следователно потокът е Φ = EA cos 0o = EA (1) = E A.
На изображението по-горе се виждат червените линии на електрическото поле, които се движат в блока и след това излизат от него. Когато линиите на електрическото поле се движат в блока, сякаш в блока има отрицателен заряд, потокът е отрицателен. Обратно, когато линиите на електрическото поле се движат извън блока, сякаш в блока има положителен заряд, електрическият поток е положителен. Качествено или без изчисление, ако броят на линиите на електрическото поле, влизащи в блока, е същият като броя на линиите на електрическото поле, напускащи блока, полученият поток е нула. Количествено или с помощта на изчисления, полученият електрически поток, преминаващ през блока, се изчислява, както следва: входящ поток = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA и изходящ поток = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = +E A. Общият поток е Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.
Въз основа на горните изчисления се заключава, че общият поток, преминаващ през блока, както е показано на фигурата по-горе, е нула. Може да се каже, че общият поток е нула, защото в блока няма електрически заряд. Следователно, ако няма електрически заряд в затворена повърхност, като например блок, куб, сфера или друг обект, общият поток е нула. Ами ако в затворената повърхност има електрически заряд?
Да предположим, че в центъра на сферата има електрически заряд, както е показано на фигурата вдясно. Четирите изобразени линии на електрическото поле представляват други линии на електрическото поле, които се движат навън от центъра на сферата перпендикулярно на повърхността на сферата. Всяка линия е перпендикулярна на повърхността на сферата, през която преминава, образувайки ъгъл от 0 ° с нормалата, перпендикулярна на повърхността на сферата.
Електрически поток в сферата:
Формулата за силата на електрическото поле е E = kQ / r² , а формулата за площта на сферата е A = 4π r² , така че формулата за магнитния поток се променя на:
![]()
Ако зарядът в центъра на сферата е +2Q, тогава потокът в сферата е
![]()
Въз основа на горната формула се заключава, че ако има електрически заряд вътре в затворена сферична повърхност, тогава стойността на потока в сферата не зависи от диаметъра или радиуса на сферата. Стойността на потока е 4πk по общия електрически заряд вътре в сферата или 1/ε0 по общия електрически заряд вътре в сферата.
Единица за електрически поток
Основната формула за магнитен поток е Φ = EA, където E е силата на електрическото поле, а A е площта на повърхността. Единицата за електрическо поле е нютон на кулон (N/C), а единицата за площ на повърхността е квадратен метър (m² ) , така че единицата за магнитен поток е нютон на квадратен метър на кулон (Nm² / C).