U temi Električno polje raspravljali smo o definiciji i formuli električnog polja koja se može koristiti za izračun jakosti električnog polja koju proizvodi jedan električni naboj, nekoliko električnih naboja ili raspodjela električnih naboja. Izračun jakosti električnog polja koju proizvodi jedan ili dva električna naboja lako se rješava pomoću formule za jakost električnog polja. Ako se izračunava jakost električnog polja koju proizvodi raspodjela električnog naboja, izračun je složeniji ako se koristi formula za jakost električnog polja, ali je lakši ako se koristi Gaussov zakon . Prije detaljnijeg proučavanja Gaussovog zakona, prvo treba razumjeti električni tok jer se koncept električnog tok koristi u Gaussovom zakonu.
Razumijevanje električnog fluksa
Riječ fluks dolazi od latinske riječi fluere , što znači teći. Doslovno se električni fluks može definirati kao tok električnog polja. Riječ flow ovdje ne označava električno polje koje teče poput tekuće vode, već opisuje prisutnost električnog polja koje pokazuje 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 tok je umnožak električnog polja (E), površine (A) i kosinusa kuta između
linije električnog polja s normalnim linijama okomitim na površinu.
Φ = EA cos θ ……………. (Jednadžba 1)
Ako su linije električnog polja okomite na površinu kroz koju prolaze kao na slici, tada je kut između linija električnog polja i normale 0o, gdje je cos 0o = 1. Dakle, formula
transformirano u:
Φ = EA cos 0o = EA (1)
Φ = EA ……………. (Jednadžba 2)
Na temelju gornje formule fluksa može se zaključiti nekoliko stvari. Prvo , fluks je na svojoj maksimalnoj vrijednosti kada je linija električnog polja okomita na površinu jer je u tom uvjetu kut 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 uvjetu kut između linije električnog polja i normale 90 ° , gdje je kosinus od 90 ° jednak 0. Treće , fluks ovisi o električnom polju (E) i površini (A). Osim pravokutne površine kao u gornjem primjeru, površina može biti i sferna i druga.
Pokrivena površina
Električni tok opisan ranije koristio je primjer otvorene površine (kvadratne ili pravokutne površine). Što je s tokovima na zatvorenoj površini kao što je kocka, blok ili sfera? Pretpostavimo da kroz blok prolaze linije električnog polja, kao na slici ispod.
Linije električnog polja obojene plavom bojom podudaraju se s gornjom i donjom površinom snopa i tvore kut od 90°o s normalnim linijama gornje i donje površine. Stoga je tok na gornjoj i donjoj površini snopa Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Linije električnog polja obojene žutom bojom podudaraju se s desnom i lijevom bočnom površinom snopa tako da tvore kut od 90°o s normalnim linijama lijeve i desne bočne površine. Stoga je tok na desnoj i lijevoj bočnoj površini bloka Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Crveno obojene linije električnog polja okomite su na prednju i stražnju površinu bloka, tvoreći kut od 0o s normalnim linijama prednje i stražnje površine. Stoga je tok 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 pomiču u blok kao da se u bloku nalazi negativni naboj, fluks je negativan. Obrnuto, kada se linije električnog polja pomiču iz bloka kao da se u bloku nalazi pozitivni naboj, električni fluks je pozitivan. Kvalitativno ili bez izračuna, ako je broj linija električnog polja koje ulaze u blok jednak broju linija električnog polja koje izlaze iz bloka, rezultirajući fluks je nula. Kvantitativno ili pomoću izračuna, rezultirajući 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 temelju gornjih izračuna zaključuje se 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 unutar bloka nema električnog naboja. Stoga, ako unutar zatvorene površine kao što je blok, kocka, sfera ili neki drugi objekt nema električnog naboja, ukupni fluks je jednak nuli. Što ako unutar zatvorene površine postoji električni naboj?
Pretpostavimo da se u središtu 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 središta sfere okomito na površinu sfere. Svaka linija je okomita na površinu sfere kroz koju prolazi, tvoreći kut od 0 ° s normalom okomitom na površinu sfere.
Električni tok u sferi:
Formula za jakost električnog polja je E = kQ / r² , a formula za površinu sfere je A = 4π r² , tako da se formula fluksa mijenja u:
![]()
Ako je naboj u središtu sfere +2Q, tada je fluks u sferi
![]()
Na temelju gornje formule zaključuje se da ako postoji električni naboj unutar zatvorene sferne površine, tada vrijednost fluksa u sferi ne ovisi o promjeru ili polumjeru sfere. Vrijednost fluksa je 4πk puta ukupni električni naboj unutar sfere ili 1/ε0 puta ukupni električni naboj unutar sfere.
Jedinica električnog fluksa
Osnovna formula za fluks je Φ = EA, gdje je E jakost električnog polja, a A površina. Jedinica električnog polja je Newton po Coulombu (N/C), a jedinica površine je kvadratni metar (m² ) , pa je jedinica fluksa Newton kvadratni metar po Coulombu (Nm² / C).