Elektromos fluxus

Az Elektromos tér című részben tárgyaltuk az elektromos tér definícióját és képletét, amely segítségével kiszámítható az egy elektromos töltés, több elektromos töltés vagy az elektromos töltések eloszlása ​​által létrehozott elektromos térerősség. Az egy vagy két elektromos töltés által létrehozott elektromos térerősség kiszámítása könnyen megoldható az elektromos térerősség képletével. Ha az elektromos töltés eloszlása ​​által létrehozott elektromos térerősséget számítjuk ki, a számítás bonyolultabb, ha az elektromos térerősség képletét használjuk, de könnyebb, ha Gauss törvényét alkalmazzuk . Mielőtt mélyebben tanulmányoznánk Gauss törvényét, először ismernünk kell az elektromos fluxust, mivel az elektromos fluxus fogalmát Gauss törvénye használja.

Az elektromos fluxus megértése

A fluxus szó a latin fluere szóból származik , ami áramlást jelent. Szó szerint az elektromos fluxus egy elektromos tér áramlását jelenti. Az áramlás szó itt nem egy áramló vízhez hasonló elektromos mezőt jelöl, hanem egy bizonyos irányba mutató elektromos tér jelenlétét írja le. Az Elektromos erővonalak című részben elmagyaráztuk, hogy az elektromos mezőket elektromos erővonalakkal vizualizáljuk vagy ábrázoljuk, ezért a fluxust is elektromos erővonalakként ábrázoljuk. Tehát a fluxus azok az elektromos erővonalak, amelyek egy bizonyos felületen haladnak át, ahogy az alábbi képen is látható.

Képlet 

Matematikailag az elektromos fluxus az elektromos tér (E), a felület (A) és a két szög koszinuszának szorzata. Elektromos fluxus 1elektromos térvonalak, amelyek merőlegesek a felületre.

Φ = EA cos θ ……………. (1. egyenlet)

Ha az elektromos erővonalak merőlegesek arra a felületre, amelyen áthaladnak, ahogy az ábrán látható, akkor az elektromos erővonalak és a merőleges közötti szög 0.o, ahol cos 0o = 1. Így a képlet Elektromos fluxus 2átalakult erre:

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

A fenti fluxusképlet alapján több dologra lehet következtetni. Először is , a fluxus akkor a maximális értékét éri el, amikor az elektromos erővonal merőleges a felületre, mert ebben az esetben az elektromos erővonal és a merőleges közötti szög 0 ° , ahol a 0 ° koszinuszértéke 1. Másodszor , a fluxus akkor a minimális értékét éri el, amikor az elektromos erővonal párhuzamos a felülettel, mert ebben az állapotban az elektromos erővonal és a merőleges közötti szög 90 ° , ahol a 90 ° koszinuszértéke 0. Harmadszor , a fluxus függ az elektromos tértől (E) és a felülettől (A). A fenti példában látható téglalap alakú felület mellett a felület lehet gömb alakú és más alakú is.

Fedett felület

A korábban leírt elektromos fluxus egy nyitott felület (négyzet vagy téglalap alakú felület) példáján alapult. Mi a helyzet a fluxussal egy zárt felületen, például egy kockán, tömbön vagy gömbön? Tegyük fel, hogy elektromos erővonalak haladnak át a tömbön, ahogy az az alábbi ábrán is látható.
A kékkel jelölt elektromos erővonalak egybeesnek a nyaláb felső és alsó felületével, 90 fokos szöget alkotva.o a felső és alsó felületek normálvvonalaival. Így a gerenda felső és alsó felületén a fluxus Φ = EA cos 90o = EA(0) = 0.

Elektromos fluxus 3A sárgával színezett elektromos erővonalak egybeesnek a nyaláb jobb és bal oldali felületeivel, így azok 90 fokos szöget zárnak be egymással.o a bal és jobb oldali felületek normálv vonalaival. Így a blokk jobb és bal oldali felületén a fluxus Φ = EA cos 90o = EA(0) = 0.
A pirossal jelölt elektromos erővonalak merőlegesek a blokk elülső és hátsó felületére, 0 szöget zárnak be egymással.o az elülső és hátsó felületek normálv vonalaival. Így a fluxus Φ = EA cos 0o = EA (1) = EA A.

A fenti képen a piros elektromos erővonalak láthatók, amint belépnek a blokkba, majd kilépnek belőle. Amikor az elektromos erővonalak úgy mozognak a blokkba, mintha negatív töltés lenne a blokkban, a fluxus negatív. Fordítva, amikor az elektromos erővonalak úgy mozognak ki a blokkból, mintha pozitív töltés lenne a blokkban, a fluxus pozitív. Minőségileg vagy számítás nélkül, ha a blokkba belépő elektromos erővonalak száma megegyezik a blokkot elhagyó elektromos erővonalak számával, az eredő fluxus nulla. Mennyiségileg vagy számítások segítségével a blokkon áthaladó eredő elektromos fluxust a következőképpen számítjuk ki: belépő fluxus = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA és kimenő fluxus = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = +E A. A teljes fluxus Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.

A fenti számítások alapján arra a következtetésre jutottak, hogy a blokkon áthaladó teljes fluxus, amint az a fenti ábrán látható, nulla. Elmondható, hogy a teljes fluxus nulla, mert a blokkon belül nincs elektromos töltés. Ezért, ha egy zárt felületen, például egy blokkon, kockán, gömbön vagy más tárgyon belül nincs elektromos töltés, akkor a teljes fluxus nulla. Mi a helyzet akkor, ha van elektromos töltés a zárt felületen belül?

Tegyük fel, hogy a gömb középpontjában egy elektromos töltés található, ahogy a jobb oldali ábrán látható. A négy ábrázolt elektromos erővonal további elektromos erővonalakat jelöl, amelyek a gömb középpontjából kifelé mozognak, merőlegesen a gömb felületére. Minden vonal merőleges a gömb felületére, amelyen áthalad, és 0 ° -os szöget zár be a gömb felületére merőleges normálvvel.

Elektromos fluxus a gömbben:

Az elektromos térerősség képlete E = k Q / r 2 , a gömb felületének képlete pedig A = 4 π r 2 , így a fluxusképlet a következőre változik:

Elektromos fluxus 5

Ha a gömb középpontjában a töltés +2Q, akkor a gömbben a fluxus

Elektromos fluxus 6

A fenti képlet alapján arra a következtetésre jutunk, hogy ha egy zárt gömbfelület belsejében elektromos töltés van, akkor a gömbben a fluxus értéke nem függ a gömb átmérőjétől vagy sugarától. A fluxus értéke a gömb belsejében lévő teljes elektromos töltés 4πk-szorosa, vagy a gömb belsejében lévő teljes elektromos töltés 1/ε0-szorosa.

Elektromos fluxusegység

A fluxus alapképlete Φ = EA, ahol E az elektromos térerősség, A pedig a felület. Az elektromos térerősség mértékegysége Newton per Coulomb (N/C), a felület mértékegysége pedig négyzetméter (m² ) , tehát a fluxus mértékegysége Newton négyzetméter per Coulomb (Nm² / C).

 

Hozzászólás írása