Električni fluks

U temi Električno polje , razmatrali smo definiciju i formulu električnog polja koja se može koristiti za izračunavanje jačine električnog polja koju proizvodi jedan električni naboj, nekoliko električnih naboja ili raspodjela električnih naboja. Izračunavanje jačine električnog polja koju proizvodi jedan ili dva električna naboja lako se rješava pomoću formule za jačinu električnog polja. Ako se izračunava jačina električnog polja koju proizvodi raspodjela električnog naboja, proračun je složeniji ako se koristi formula za jačinu električnog polja, ali je lakši ako se koristi Gaussov zakon . Prije detaljnijeg proučavanja Gaussovog zakona, prvo treba razumjeti električni fluks jer se koncept električnog fluksa koristi u Gaussovom zakonu.

Razumijevanje električnog fluksa

Riječ fluks potiče od latinske riječi fluere , što znači teći. Doslovno, električni fluks se može definirati kao tok električnog polja. Riječ tok ovdje ne označava električno polje koje teče poput tekuće vode, već opisuje prisustvo električnog polja koje je usmjereno u određenom smjeru. U temi Linije električnog polja objašnjeno je da se električna polja vizualiziraju ili prikazuju pomoću linija električnog polja, stoga se fluks također prikazuje kao linije električnog polja. Dakle, fluks su linije električnog polja koje prolaze kroz određenu površinu, kao što je prikazano na slici ispod.

Formula 

Matematički, električni fluks je proizvod električnog polja (E), površine (A) i kosinusa ugla između Električni fluks 1linije električnog polja s normalnim linijama okomitim na površinu.

Φ = EA cos θ ……………. (Jednačina 1)

Ako su linije električnog polja okomite na površinu kroz koju prolaze kao na slici, tada je ugao između linija električnog polja i normale 0o, gdje je cos 0o = 1. Dakle, formula Električni fluks 2transformisano u:

Φ = EA cos 0o = EA (1)
Φ = EA ……………. (Jednačina 2)

Na osnovu gornje formule za fluks, može se zaključiti nekoliko stvari. Prvo , fluks je na svojoj maksimalnoj vrijednosti kada je linija električnog polja okomita na površinu jer je u tom stanju ugao između linije električnog polja i normale 0 ° , gdje je kosinus od 0 ° jednak 1. Drugo , fluks je na svojoj minimalnoj vrijednosti kada je linija električnog polja paralelna s površinom jer je u tom stanju ugao između linije električnog polja i normale 90 ° , gdje je kosinus od 90 ° jednak 0. Treće , fluks zavisi od električnog polja (E) i površine (A). Pored pravougaone površine kao u gornjem primjeru, površina može biti i sferna i druga.

Pokrivena površina

Električni fluks opisan ranije koristio je primjer otvorene površine (kvadratne ili pravokutne površine). Šta je s fluksom na zatvorenoj površini kao što je kocka, blok ili sfera? Pretpostavimo da postoje linije električnog polja koje prolaze kroz blok, kao na slici ispod.
Linije električnog polja obojene plavo poklapaju se s gornjom i donjom površinom snopa i formiraju ugao od 90 stepenio sa normalnim linijama gornje i donje površine. Stoga je fluks na gornjoj i donjoj površini snopa Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.

Električni fluks 3Linije električnog polja obojene žutom bojom poklapaju se s desnom i lijevom bočnom površinom snopa tako da formiraju ugao od 90°o sa normalnim linijama lijeve i desne bočne površine. Dakle, fluks na desnoj i lijevoj bočnoj površini bloka je Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Linije električnog polja obojene crvenom bojom su okomite na prednju i zadnju površinu bloka, formirajući ugao od 0o sa normalnim linijama prednje i zadnje površine. Stoga je fluks Φ = EA cos 0o = EA (1) = E A.

Na gornjoj slici, vide se crvene linije električnog polja kako ulaze u blok, a zatim izlaze iz bloka. Kada se linije električnog polja kreću u blok kao da u bloku postoji negativno naelektrisanje, fluks je negativan. Obrnuto, kada se linije električnog polja kreću iz bloka kao da u bloku postoji pozitivno naelektrisanje, električni fluks je pozitivan. Kvalitativno ili bez izračuna, ako je broj linija električnog polja koje ulaze u blok isti kao i broj linija električnog polja koje izlaze iz bloka, rezultujući fluks je nula. Kvantitativno ili korištenjem izračuna, rezultujući električni fluks koji prolazi kroz blok izračunava se na sljedeći način: dolazni fluks = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA i izlazni fluks = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = +E A. Ukupni fluks je Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.

Na osnovu gornjih proračuna, zaključeno je da je ukupni fluks koji prolazi kroz blok, kao što je prikazano na gornjoj slici, jednak nuli. Može se reći da je ukupni fluks jednak nuli jer ne postoji električni naboj unutar bloka. Stoga, ako ne postoji električni naboj unutar zatvorene površine kao što je blok, kocka, sfera ili neki drugi objekt, ukupni fluks je jednak nuli. Šta ako postoji električni naboj unutar zatvorene površine?

Pretpostavimo da se u centru sfere nalazi električni naboj, kao što je prikazano na slici desno. Četiri prikazane linije električnog polja predstavljaju druge linije električnog polja koje se kreću od centra sfere okomito na površinu sfere. Svaka linija je okomita na površinu sfere kroz koju prolazi, formirajući ugao od 0 ° sa normalom okomitom na površinu sfere.

Električni fluks u sferi:

Formula za jačinu električnog polja je E = kQ / r² , a formula za površinu sfere je A = 4π r² , tako da se formula fluksa mijenja u:

Električni fluks 5

Ako je naelektrisanje u centru sfere +2Q, tada je fluks u sferi

Električni fluks 6

Na osnovu gornje formule, zaključuje se da ako postoji električni naboj unutar zatvorene sferne površine, tada vrijednost fluksa u sferi ne zavisi od prečnika ili radijusa sfere. Vrijednost fluksa je 4πk puta ukupni električni naboj unutar sfere ili 1/εo puta ukupni električni naboj unutar sfere.

Jedinica za električni fluks

Osnovna formula za fluks je Φ = EA, gdje je E jačina električnog polja, a A površina. Jedinica električnog polja je Njutn po Kulonu (N/C), a jedinica površine je kvadratni metar (m² ) , tako da je jedinica fluksa Njutn kvadratni metar po Kulonu (Nm² / C).

 

Tinggalkan komentar