Elektrivälja teemas oleme arutanud elektrivälja definitsiooni ja valemit, mida saab kasutada ühe elektrilaengu, mitme elektrilaengu või elektrilaengute jaotuse poolt tekitatud elektrivälja tugevuse arvutamiseks. Elektrilaengu või kahe elektrilaengu poolt tekitatud elektrivälja tugevuse arvutamine on lihtne elektrivälja tugevuse valemi abil. Kui arvutatakse elektrilaengu jaotuse poolt tekitatud elektrivälja tugevus, on arvutus elektrivälja tugevuse valemi abil keerulisem, kuid Gaussi seaduse abil on see lihtsam . Enne Gaussi seaduse põhjalikumat uurimist tuleb kõigepealt mõista elektrivoogu, sest Gaussi seaduses kasutatakse elektrivoo mõistet.
Elektrivoo mõistmine
Sõna voog tuleb ladinakeelsest sõnast fluere , mis tähendab voolama. Sõna-sõnalt võib elektrivoogu defineerida kui elektrivälja voolamist. Sõna voog ei tähista siin elektrivälja, mis voolab nagu voolav vesi, vaid pigem kirjeldab teatud suunas osutava elektrivälja olemasolu. Elektrivälja jõujoonte teemas selgitati, et elektrivälju visualiseeritakse või kujutatakse elektrivälja jõujoonte abil, seetõttu kujutatakse voogu ka elektrivälja jõujoontena. Seega on voog elektrivälja jõujooned, mis läbivad teatud pinda, nagu on näidatud alloleval pildil.
Valem
Matemaatiliselt on elektrivoog elektrivälja (E), pindala (A) ja elementide vahelise nurga koosinuse korrutis.
elektrivälja jõujooned, mille normaaljooned on pinnaga risti.
Φ = EA cos θ ……………. (Võrrand 1)
Kui elektrivälja jõujooned on risti pinnaga, mida nad läbivad, nagu pildil näidatud, siis elektrivälja jõujoonte ja normaalijoone vaheline nurk on 0o, kus cos 0o = 1. Seega valem
ümberkujundatud järgmiselt:
Φ = EA cos 0o = EA (1)
Φ = EA …………… (võrrand 2)
Ülaltoodud voo valemi põhjal saab teha mitu järeldust. Esiteks on voog maksimaalse väärtusega, kui elektrivälja joon on pinnaga risti, sest sellisel juhul on elektrivälja joone ja normaali vaheline nurk 0 ° , kus 0 ° koosinus on 1. Teiseks on voog minimaalse väärtusega, kui elektrivälja joon on pinnaga paralleelne, sest sellisel juhul on elektrivälja joone ja normaali vaheline nurk 90 ° , kus 90 ° koosinus on 0. Kolmandaks sõltub voog elektriväljast (E) ja pindalast (A). Lisaks ristkülikukujulisele pindalale, nagu ülaltoodud näites, võib pindala olla ka sfääriline ja muud tüüpi.
Kaetud pind
Eelnevalt kirjeldatud elektrivoo näitena kasutati avatud pinda (ruudukujulist või ristkülikukujulist pinda). Aga kuidas on lood vooga suletud pinnal, näiteks kuubil, plokil või sfääril? Oletame, et plokki läbivad elektrivälja jõujooned, nagu alloleval joonisel.
Sinised elektrivälja jõujooned langevad kokku kiire ülemise ja alumise pinnaga, moodustades 90-kraadise nurga.o ülemise ja alumise pinna normaaljoontega. Seega on valgusvoog tala ülemisel ja alumisel pinnal Φ = EA cos 90o = EA(0) = 0.
Kollase värviga elektrivälja jõujooned langevad kokku kiire parema ja vasaku külgpinnaga nii, et nad moodustavad 90-kraadise nurga.o vasaku ja parema külgpinna normaaljoontega. Seega on ploki parema ja vasaku külgpinna voog Φ = EA cos 90o = EA(0) = 0.
Punased elektrivälja jõujooned on risti ploki esi- ja tagapinnaga, moodustades nurga 0o esi- ja tagapindade normaaljoontega. Seega on voog Φ = EA cos 0o = EA (1) = EA A.
Ülaltoodud pildil on näha punaseid elektrivälja jooni liikumas plokki ja seejärel plokist välja. Kui elektrivälja jooned liiguvad plokki, justkui oleks plokis negatiivne laeng, on voog negatiivne. Vastupidiselt, kui elektrivälja jooned liiguvad plokist välja, justkui oleks plokis positiivne laeng, on elektrivoog positiivne. Kvalitatiivselt või arvutusteta, kui plokki sisenevate elektrivälja joonte arv on sama, mis plokist lahkuvate elektrivälja joonte arv, on resultantvoog null. Kvantitatiivselt või arvutuste abil arvutatakse plokki läbiv resultantvoog järgmiselt: sisenev voog = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA ja väljuv voog = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA ( 1 ) = +E A. Koguvoog on Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.
Ülaltoodud arvutuste põhjal järeldatakse, et plokki läbiv koguvoog, nagu on näidatud ülaltoodud joonisel, on null. Võib öelda, et koguvoog on null, kuna ploki sees puudub elektrilaeng. Seega, kui suletud pinna, näiteks ploki, kuubi, sfääri või muu objekti sees puudub elektrilaeng, on koguvoog null. Mis saab siis, kui suletud pinna sees on elektrilaeng?
Oletame, et kera keskel on elektrilaeng, nagu on näidatud parempoolsel joonisel. Neli kujutatud elektrivälja joont tähistavad teisi elektrivälja jooni, mis liiguvad kera keskpunktist väljapoole risti kera pinnaga. Iga joon on risti kera pinnaga, mida see läbib, moodustades kera pinnaga risti oleva normaaliga 0 ° nurga.
Elektrivoog sfääris:
Elektrivälja tugevuse valem on E = k Q / r 2 ja kera pindala valem on A = 4 π r 2 , nii et voo valem muutub järgmiselt:
![]()
Kui sfääri keskpunkti laeng on +2Q, siis sfääri voog on
![]()
Ülaltoodud valemi põhjal järeldub, et kui suletud sfäärilise pinna sees on elektrilaeng, siis ei sõltu sfääris tekkiv voo väärtus sfääri läbimõõdust ega raadiusest. Voo väärtus on 4πk korda sfääri sees olev kogu elektrilaeng või 1/ε0 korda sfääri sees olev kogu elektrilaeng.
Elektrivoo üksus
Voo põhivalem on Φ = EA, kus E on elektrivälja tugevus ja A on pindala. Elektrivälja ühik on njuuton kuloni kohta (N/C) ja pindala ühik on ruutmeetrid (m² ) , seega on voo ühik njuuton ruutmeetri kuloni kohta (Nm² / C).