V tématu Elektrické pole jsme probrali definici a vzorec pro elektrické pole, který lze použít k výpočtu intenzity elektrického pole produkované jedním elektrickým nábojem, několika elektrickými náboji nebo rozložením elektrických nábojů. Výpočet intenzity elektrického pole produkované jedním nebo dvěma elektrickými náboji se snadno řeší pomocí vzorce pro intenzitu elektrického pole. Pokud se vypočítává intenzita elektrického pole produkovaná rozložením elektrického náboje, je výpočet složitější při použití vzorce pro intenzitu elektrického pole, ale jednodušší při použití Gaussova zákona . Než se budeme podrobněji věnovat Gaussovu zákonu, je třeba nejprve porozumět elektrickému toku, protože koncept elektrického toku se používá v Gaussově zákoně.
Pochopení elektrického toku
Slovo flux pochází z latinského slova fluere , které znamená proudit. Doslova lze elektrický flux definovat jako tok elektrického pole. Slovo flow zde neoznačuje elektrické pole proudící jako tekoucí voda, ale spíše popisuje přítomnost elektrického pole, které směřuje určitým směrem. V tématu siločar elektrického pole bylo vysvětleno, že elektrická pole jsou vizualizována nebo znázorněna pomocí siločar elektrického pole, proto je flux také znázorněn jako siločary elektrického pole. Tok jsou tedy siločáry elektrického pole, které procházejí určitou povrchovou plochou, jak je znázorněno na obrázku níže.
Vzorec
Matematicky je elektrický tok součinem elektrického pole (E), povrchu (A) a kosinu úhlu mezi
siločáry elektrického pole s normálami kolmými k povrchu.
Φ = EA cos θ ……………. (Rovnice 1)
Pokud jsou siločáry elektrického pole kolmé na povrch, kterým procházejí, jako na obrázku, pak je úhel mezi siločárami elektrického pole a normálou 0o, kde cos 0o = 1. Vzorec tedy
transformováno na:
Φ = EA cos 0o = EA (1)
Φ = EA ……………. (Rovnice 2)
Na základě výše uvedeného vzorce pro tok lze vyvodit několik závěrů. Zaprvé , tok má maximální hodnotu, když je siločara elektrického pole kolmá k povrchu, protože v tomto případě je úhel mezi siločarou elektrického pole a normálou 0 ° , kde kosinus 0 ° je 1. Zadruhé , tok má minimální hodnotu, když je siločara elektrického pole rovnoběžná s povrchem, protože v tomto případě je úhel mezi siločarou elektrického pole a normálou 90 ° , kde kosinus 90 ° je 0. Zatřetí , tok závisí na elektrickém poli (E) a povrchu (A). Kromě obdélníkového povrchu, jako ve výše uvedeném příkladu, může být povrch také kulový a další.
Krytý povrch
Elektrický tok popsaný dříve byl použit na příkladu otevřeného povrchu (čtvercového nebo obdélníkového povrchu). A co tok na uzavřeném povrchu, jako je krychle, blok nebo koule? Předpokládejme, že blokem procházejí siločáry elektrického pole, jako je na obrázku níže.
Modře zbarvené siločáry elektrického pole se shodují s horním a spodním povrchem paprsku, takže svírají úhel 90°.o s normálami horního a dolního povrchu. Tok na horním a dolním povrchu paprsku je tedy Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Žlutě zbarvené siločáry elektrického pole se shodují s pravým a levým bočním povrchem paprsku, takže svírají úhel 90°.o s normálami levé a pravé bočních ploch. Tok na pravé a levé bočních plochách bloku je tedy Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Červeně zbarvené siločáry elektrického pole jsou kolmé na přední a zadní povrch bloku a svírají úhel 0o s normálami předního a zadního povrchu. Tok je tedy Φ = EA cos 0o = EA (1) = E A.
Na obrázku výše jsou vidět červené siločáry elektrického pole, jak se pohybují do bloku a poté z něj ven. Když se siločáry elektrického pole pohybují do bloku, jako by v bloku byl záporný náboj, je tok záporný. Naopak, když se siločáry elektrického pole pohybují z bloku, jako by v bloku byl kladný náboj, je elektrický tok kladný. Kvalitativně nebo bez výpočtu, pokud je počet siločar elektrického pole vstupujících do bloku stejný jako počet siločar elektrického pole opouštějících blok, je výsledný tok nulový. Kvantitativně nebo pomocí výpočtů se výsledný elektrický tok procházející blokem vypočítá takto: vstupní tok = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA a výstupní tok = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = +E A. Celkový tok je Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.
Na základě výše uvedených výpočtů se usuzuje, že celkový tok procházející blokem, jak je znázorněno na obrázku výše, je nulový. Lze říci, že celkový tok je nulový, protože uvnitř bloku není žádný elektrický náboj. Pokud tedy uvnitř uzavřeného povrchu, jako je blok, krychle, koule nebo jiný objekt, není žádný elektrický náboj, je celkový tok nulový. Co když uvnitř uzavřeného povrchu elektrický náboj je?
Předpokládejme, že ve středu koule je elektrický náboj, jak je znázorněno na obrázku vpravo. Čtyři zobrazené siločáry elektrického pole představují další siločáry elektrického pole, které se pohybují od středu koule kolmo k povrchu koule. Každá čára je kolmá k povrchu koule, kterou prochází, a svírá s normálou kolmou k povrchu koule úhel 0 ° .
Elektrický tok v kouli:
Vzorec pro intenzitu elektrického pole je E = kQ / r² a vzorec pro povrch koule je A = 4π r², takže vzorec pro tok se změní na:
![]()
Pokud je náboj ve středu koule +2Q, pak je tok v kouli
![]()
Na základě výše uvedeného vzorce lze vyvodit závěr, že pokud je uvnitř uzavřené kulové plochy elektrický náboj, pak hodnota toku v kouli nezávisí na průměru ani poloměru koule. Hodnota toku je 4πk krát celkový elektrický náboj uvnitř koule nebo 1/ε krát celkový elektrický náboj uvnitř koule.
Jednotka elektrického toku
Základní vzorec pro tok je Φ = EA, kde E je intenzita elektrického pole a A je plocha povrchu. Jednotkou elektrického pole je Newton na Coulomb (N/C) a jednotkou plochy povrchu je metr čtvereční (m² ) , takže jednotka toku je Newton metr čtvereční na Coulomb (Nm² / C).