Í umræðuefninu um rafsvið höfum við rætt skilgreiningu og formúlu fyrir rafsvið sem hægt er að nota til að reikna út styrk rafsviðsins sem myndast af einni rafhleðslu, nokkrum rafhleðslum eða dreifingu rafhleðslu. Útreikningur á styrk rafsviðsins sem myndast af einni eða tveimur rafhleðslum er auðveldlega leystur með formúlunni fyrir styrk rafsviðsins. Ef reiknaður er út styrk rafsviðsins sem myndast við dreifingu rafhleðslu, þá er útreikningurinn flóknari ef notuð er formúlan fyrir styrk rafsviðsins en auðveldari ef lögmál Gauss er notað . Áður en lögmál Gauss er skoðað ítarlega er mikilvægt að skilja fyrst rafflæði þar sem hugtakið rafflæði er notað í lögmáli Gauss.
Að skilja rafstraum
Orðið „flæði“ kemur frá latneska orðinu „ fluere“ sem þýðir að flæða. Bókstaflega má skilgreina rafflæði sem flæði rafsviðs. Orðið „flæði“ hér gefur ekki til kynna rafsvið sem flæðir eins og rennandi vatn, heldur lýsir það nærveru rafsviðs sem bendir í ákveðna átt. Í efninu um rafsviðslínur var útskýrt að rafsvið eru sýnd eða lýst með rafsviðslínum, þess vegna er flæði einnig lýst sem rafsviðslínum. Þannig er flæði rafsviðslínur sem fara í gegnum ákveðið yfirborðsflatarmál, eins og sýnt er á myndinni hér að neðan.
Formúla
Stærðfræðilega séð er rafflæði margfeldi rafsviðsins (E), yfirborðsflatarmálsins (A) og kósínus hornsins milli
Rafsviðslínur með normallínum hornréttum á yfirborðið.
Φ = EA cos θ ……………. (Jafna 1)
Ef rafsviðslínurnar eru hornréttar á yfirborðið sem þær fara í gegnum eins og á myndinni, þá er hornið milli rafsviðslínanna og normallínunnar 0o, þar sem cos 0o = 1. Þannig er formúlan
umbreytt í:
Φ = EA cos 0o = EA (1)
Φ = EA ……………. (Jafna 2)
Byggt á flæðisformúlunni hér að ofan má draga nokkra ályktanir. Í fyrsta lagi er flæðið hámarksgildi þegar rafmagnssviðslínan er hornrétt á yfirborðsflatarmálið því í því tilfelli er hornið milli rafmagnssviðslínunnar og normallínunnar 0 ° , þar sem kósínusgildið 0 ° er 1. Í öðru lagi er flæðið lágmarksgildi þegar rafmagnssviðslínan er samsíða yfirborðsflatarmálinu því í því tilfelli er hornið milli rafmagnssviðslínunnar og normallínunnar 90 ° , þar sem kósínusgildið 90 ° er 0. Í þriðja lagi er flæðið háð rafsviðinu (E) og yfirborðsflatarmálinu (A). Auk rétthyrnds yfirborðsflatarmálsins eins og í dæminu hér að ofan getur yfirborðsflatarmálið einnig verið kúlulaga og fleira.
Þakið yfirborð
Rafstraumurinn sem lýst var áður notaður sem dæmi um opið yfirborð (ferkantað eða rétthyrnt yfirborðsflatarmál). Hvað með rafstrauminn á lokuðu yfirborði eins og teningi, kubb eða kúlu? Segjum sem svo að rafsviðslínur fari í gegnum kubbinn, eins og á myndinni hér að neðan.
Rafsviðslínurnar, sem eru litaðar bláar, falla saman við efri og neðri yfirborð geislans og mynda 90° horn.o með hornlínum efri og neðri yfirborða. Þannig er flæðið á efri og neðri yfirborði bjálkans Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Rafsviðslínurnar, sem eru litaðar gular, falla saman við hægri og vinstri hliðarfleti geislans þannig að þær mynda 90° horn.o með hornlínum vinstri og hægri hliðarflata. Þannig er flæðið á hægri og vinstri hliðarflötum blokkarinnar Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Rafsviðslínurnar, sem eru litaðar rauðar, eru hornréttar á fram- og afturflöt kubbans og mynda hornið 0.o með hornlínum fram- og afturflatar. Þannig er flæðið Φ = EA cos 0o = EA (1) = E A.
Á myndinni hér að ofan sjást rauðu rafsviðslínurnar færast inn í reitinn og síðan út úr honum. Þegar rafsviðslínurnar færast inn í reitinn eins og neikvæð hleðsla sé í reitnum, þá er rafflæðið neikvætt. Aftur á móti, þegar rafsviðslínurnar færast út úr reitnum eins og jákvæð hleðsla sé í reitnum, þá er rafflæðið jákvætt. Eigindlega eða án útreikninga, ef fjöldi rafsviðslína sem koma inn í reitinn er sá sami og fjöldi rafsviðslína sem fara út úr reitnum, þá er niðurstöðuflæðið núll. Megindlega eða með útreikningum er niðurstöðuflæðið sem fer í gegnum reitinn reiknað á eftirfarandi hátt: innkomandi flæði = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA og útkomandi flæði = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = +EA A. Heildarflæðið er Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.
Byggt á útreikningunum hér að ofan er niðurstaðan sú að heildarflæðið sem fer í gegnum blokkina, eins og sýnt er á myndinni hér að ofan, er núll. Hægt er að segja að heildarflæðið sé núll vegna þess að engin rafhleðsla er innan blokkarinnar. Þess vegna, ef engin rafhleðsla er innan lokaðs yfirborðs eins og kubbs, tenings, kúlu eða annars hlutar, þá er heildarflæðið núll. Hvað ef rafhleðsla er innan lokaðs yfirborðs?
Segjum sem svo að rafhleðsla sé í miðju kúlunnar eins og sýnt er á myndinni til hægri. Rafsviðslínurnar fjórar sem sýndar eru tákna aðrar rafsviðslínur sem færast út frá miðju kúlunnar, hornréttar á yfirborð kúlunnar. Hver lína er hornrétt á yfirborð kúlunnar sem hún fer í gegnum og myndar 0 ° horn við lóðlínuna sem er hornrétt á yfirborð kúlunnar.
Rafflæði í kúlu:
Formúlan fyrir rafsviðsstyrk er E = kQ / r² og formúlan fyrir yfirborðsflatarmál kúlu er A = 4πr² þannig að flæðisformúlan breytist í:
![]()
Ef hleðslan í miðju kúlunnar er +2Q þá er flæðið í kúlunni
![]()
Byggt á formúlunni hér að ofan er niðurstaðan sú að ef rafhleðsla er innan lokaðs kúlulaga yfirborðs, þá er flæðisgildið í kúlunni ekki háð þvermáli eða radíus kúlunnar. Flæðisgildið er 4πk sinnum heildarrafhleðslan innan kúlunnar eða 1/εo sinnum heildarrafhleðslan innan kúlunnar.
Rafflæðiseining
Grunnformúlan fyrir flæði er Φ = EA, þar sem E er styrkur rafsviðsins og A er yfirborðsflatarmálið. Eining rafsviðsins er Newton á Coulomb (N/C) og eining yfirborðsflatarmálsins er fermetri (m² ) , þannig að eining flæðisins er Newton fermetri á Coulomb (Nm² / C).