Elektrisk flux

I emnet Elektrisk felt har vi diskuteret definitionen og formlen for elektrisk felt, der kan bruges til at beregne den elektriske feltstyrke produceret af én elektrisk ladning, flere elektriske ladninger eller af en fordeling af elektriske ladninger. Beregning af den elektriske feltstyrke produceret af en elektrisk ladning eller to elektriske ladninger løses let ved hjælp af formlen for elektrisk feltstyrke. Hvis det beregnede er den elektriske feltstyrke produceret af en elektrisk ladningsfordeling, er beregningen mere kompliceret, hvis man bruger formlen for elektrisk feltstyrke, men lettere, hvis man bruger Gauss' lov . Før man studerer Gauss' lov i dybden, skal man først forstå elektrisk flux, fordi begrebet elektrisk flux bruges i Gauss' lov.

Forståelse af elektrisk flux

Ordet flux kommer fra det latinske ord * fluere* , som betyder at flyde. Bogstaveligt talt kan elektrisk flux defineres som strømmen af ​​et elektrisk felt. Ordet flow indikerer her ikke et elektrisk felt, der flyder som strømmende vand, men beskriver snarere tilstedeværelsen af ​​et elektrisk felt, der peger i en bestemt retning. I emnet om elektriske feltlinjer blev det forklaret, at elektriske felter visualiseres eller afbildes ved hjælp af elektriske feltlinjer, derfor er flux også afbildet som elektriske feltlinjer. Så flux er de elektriske feltlinjer, der passerer gennem et bestemt overfladeareal, som eksemplificeret på billedet nedenfor.

Formel 

Matematisk set er elektrisk flux produktet af det elektriske felt (E), overfladearealet (A) og cosinus af vinklen mellem Elektrisk flux 1elektriske feltlinjer med normale linjer vinkelret på overfladen.

Φ = EA cos θ ……………. (Ligning 1)

Hvis de elektriske feltlinjer er vinkelrette på det overfladeareal, de passerer igennem, som på billedet, så er vinklen mellem de elektriske feltlinjer og normallinjen 0o, hvor cos 0o = 1. Således formlen Elektrisk flux 2omdannet til:

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

Baseret på ovenstående fluxformel kan flere ting konkluderes. For det første er fluxen på sin maksimale værdi, når den elektriske feltlinje er vinkelret på overfladearealet, fordi vinklen mellem den elektriske feltlinje og normallinjen i den tilstand er 0 ° , hvor cosinusværdien på 0 ° er 1. For det andet er fluxen på sin minimale værdi, når den elektriske feltlinje er parallel med overfladearealet, fordi vinklen mellem den elektriske feltlinje og normallinjen i den tilstand er 90 ° , hvor cosinusværdien på 90 ° er 0. For det tredje afhænger fluxen af ​​det elektriske felt (E) og overfladearealet (A). Ud over det rektangulære overfladeareal som i eksemplet ovenfor kan overfladearealet også være sfærisk og andet.

Dækket overflade

Den tidligere beskrevne elektriske flux brugte eksemplet med en åben overflade (et kvadratisk eller rektangulært overfladeareal). Hvad med fluxen på en lukket overflade, såsom en terning, blok eller kugle? Antag, at der er elektriske feltlinjer, der passerer gennem blokken, som i figuren nedenfor.
De elektriske feltlinjer, der er farvet blå, falder sammen med strålens øvre og nedre overflader og danner en 90-graders vinkel.o med normallinjerne på de øvre og nedre overflader. Således er fluxen på bjælkens øvre og nedre overflader Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.

Elektrisk flux 3De gule elektriske feltlinjer falder sammen med strålens højre og venstre sideflader, så de danner en 90-graders vinkel.o med normallinjerne på venstre og højre sideflader. Således er fluxen på blokkens højre og venstre sideflader Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
De elektriske feltlinjer, der er farvet rødt, er vinkelrette på blokkens for- og bagflader og danner en vinkel på 0o med normallinjerne på for- og bagfladerne. Således er fluxen Φ = EA cos 0o = EA (1) = E A.

På billedet ovenfor ses de røde elektriske feltlinjer bevæge sig ind i blokken og derefter ud af blokken. Når de elektriske feltlinjer bevæger sig ind i blokken, som om der er en negativ ladning i blokken, er fluxen negativ. Omvendt, når de elektriske feltlinjer bevæger sig ud af blokken, som om der er en positiv ladning i blokken, er den elektriske flux positiv. Kvalitativt eller uden beregning, hvis antallet af elektriske feltlinjer, der kommer ind i blokken, er det samme som antallet af elektriske feltlinjer, der forlader blokken, er den resulterende flux nul. Kvantitativt eller ved hjælp af beregninger beregnes den resulterende elektriske flux, der passerer gennem blokken, som følger: indgående flux = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA og udgående flux = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = +EA A. Den samlede flux er Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.

Baseret på ovenstående beregninger konkluderes det, at den samlede flux, der passerer gennem blokken, som vist i figuren ovenfor, er nul. Det kan siges, at den samlede flux er nul, fordi der ikke er nogen elektrisk ladning i blokken. Derfor, hvis der ikke er nogen elektrisk ladning i en lukket overflade, såsom en blok, terning, kugle eller andet objekt, er den samlede flux nul. Hvad hvis der er en elektrisk ladning i den lukkede overflade?

Antag, at der er en elektrisk ladning i centrum af kuglen, som vist på figuren til højre. De fire afbildede elektriske feltlinjer repræsenterer andre elektriske feltlinjer, der bevæger sig udad fra centrum af kuglen vinkelret på kuglens overflade. Hver linje er vinkelret på overfladen af ​​den kugle, den passerer igennem, og danner en vinkel på 0 ° med normallinjen vinkelret på kuglens overflade.

Elektrisk flux i kuglen:

Formlen for elektrisk feltstyrke er E = kQ / r² , og formlen for overfladearealet af en kugle er A = 4πr², så fluxformlen ændres til:

Elektrisk flux 5

Hvis ladningen i kuglens centrum er +2Q, så er fluxen i kuglen

Elektrisk flux 6

Baseret på ovenstående formel konkluderes det, at hvis der er en elektrisk ladning inden i en lukket sfærisk overflade, afhænger fluxværdien i kuglen ikke af kuglens diameter eller radius. Fluxværdien er 4πk gange den samlede elektriske ladning inden i kuglen eller 1/εo gange den samlede elektriske ladning inden i kuglen.

Elektrisk fluxenhed

Grundformlen for flux er Φ = EA, hvor E er den elektriske feltstyrke og A er overfladearealet. Enheden for elektrisk felt er Newton pr. Coulomb (N/C), og enheden for overfladeareal er kvadratmeter (m² ) , så enheden for flux er Newton kvadratmeter pr. Coulomb (Nm² / C).

 

Tinggalkan kommentarer