Elektros srautas

Elektrinio lauko temoje aptarėme elektrinio lauko apibrėžimą ir formulę, kurią galima naudoti norint apskaičiuoti vieno elektros krūvio, kelių elektros krūvių arba elektros krūvių pasiskirstymo sukurto elektrinio lauko stiprį. Elektros krūvio arba dviejų elektros krūvių sukurto elektrinio lauko stiprį lengva apskaičiuoti naudojant elektrinio lauko stiprumo formulę. Jei apskaičiuojamas elektrinio lauko stiprumas, kurį sukuria elektros krūvių pasiskirstymas, skaičiavimas yra sudėtingesnis naudojant elektrinio lauko stiprumo formulę, bet lengvesnis – Gauso dėsnį . Prieš išsamiai nagrinėdami Gauso dėsnį, pirmiausia supraskite elektrinį srautą, nes Gauso dėsnyje vartojama elektrinio srauto sąvoka.

Elektros srauto supratimas

Žodis „flow“ kilęs iš lotyniško žodžio „ fluere“ , reiškiančio tekėti. Pažodžiui elektros srautas gali būti apibrėžiamas kaip elektrinio lauko tekėjimas. Žodis „flow“ čia nereiškia elektrinio lauko, tekančio kaip tekantis vanduo, o apibūdina elektrinio lauko, nukreipto tam tikra kryptimi, buvimą. Temoje apie elektrinio lauko linijas buvo paaiškinta, kad elektriniai laukai vizualizuojami arba vaizduojami naudojant elektrinio lauko linijas, todėl srautas taip pat vaizduojamas kaip elektrinio lauko linijos. Taigi, srautas yra elektrinio lauko linijos, einančios per tam tikrą paviršiaus plotą, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau.

Rumusas 

Matematiškai elektros srautas yra elektrinio lauko (E), paviršiaus ploto (A) ir kampo tarp kosinuso sandauga. Elektros srautas 1elektrinio lauko linijos su normaliomis linijomis, statmenomis paviršiui.

Φ = EA cos θ ……………. (1 lygtis)

Jei elektrinio lauko linijos yra statmenos paviršiaus plotui, per kurį jos eina, kaip parodyta paveikslėlyje, tai kampas tarp elektrinio lauko linijų ir statmens linijos yra 0o, kur cos 0o = 1. Taigi formulė Elektros srautas 2transformuota į:

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

Remiantis aukščiau pateikta srauto formule, galima daryti kelias išvadas. Pirma , srautas yra didžiausios vertės, kai elektrinio lauko linija yra statmena paviršiaus plotui, nes tokiu atveju kampas tarp elektrinio lauko linijos ir statmens yra 0 ° , kur 0 ° kosinuso vertė yra 1. Antra , srautas yra mažiausios vertės, kai elektrinio lauko linija yra lygiagreti paviršiaus plotui, nes tokiu atveju kampas tarp elektrinio lauko linijos ir statmens yra 90 ° , kur 90 ° kosinuso vertė yra 0. Trečia , srautas priklauso nuo elektrinio lauko (E) ir paviršiaus ploto (A). Be stačiakampio paviršiaus ploto, kaip aukščiau pateiktame pavyzdyje, paviršiaus plotas taip pat gali būti sferinis ir kitoks.

Dengtas paviršius

Anksčiau aprašytas elektros srautas buvo apibūdintas atviro paviršiaus (kvadratinio arba stačiakampio paviršiaus ploto) pavyzdžiu. O kaip srautas uždarame paviršiuje, pavyzdžiui, kube, bloke ar sferoje? Tarkime, kad per bloką eina elektrinio lauko linijos, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau.
Mėlynos spalvos elektrinio lauko linijos sutampa su viršutiniu ir apatiniu spindulio paviršiais ir sudaro 90 laipsnių kampą.o su viršutinio ir apatinio paviršių normaliomis linijomis. Taigi srautas ant viršutinio ir apatinio sijos paviršių yra Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.

Elektros srautas 3Geltonai nuspalvintos elektrinio lauko linijos sutampa su dešiniuoju ir kairiuoju spindulio paviršiais taip, kad jos sudarytų 90 laipsnių kampą.o su kairiojo ir dešiniojo šoninių paviršių normaliomis linijomis. Taigi srautas bloko dešiniajame ir kairiajame šoniniuose paviršiuose yra Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Raudonai nuspalvintos elektrinio lauko linijos yra statmenos bloko priekiniam ir galiniam paviršiams ir sudaro 0 kampą.o su priekinių ir galinių paviršių normaliomis linijomis. Taigi srautas yra Φ = EA cos 0o = EA (1) = EA A.

Aukščiau esančiame paveikslėlyje matyti, kaip raudonos elektrinio lauko linijos juda į bloką ir tada iš jo išeina. Kai elektrinio lauko linijos juda į bloką, tarsi bloke būtų neigiamas krūvis, srautas yra neigiamas. Ir atvirkščiai, kai elektrinio lauko linijos juda iš bloko, tarsi bloke būtų teigiamas krūvis, elektrinis srautas yra teigiamas. Kokybiškai arba be skaičiavimo, jei į bloką įeinančių elektrinio lauko linijų skaičius yra toks pat, kaip ir iš bloko išeinančių elektrinio lauko linijų skaičius, gaunamas srautas lygus nuliui. Kiekybiškai arba naudojant skaičiavimus, per bloką einantis gaunamas elektrinis srautas apskaičiuojamas taip: įeinantis srautas = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA ir išeinantis srautas = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = +E A. Bendras srautas yra Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.

Remiantis aukščiau pateiktais skaičiavimais, daroma išvada, kad bendras per bloką einantis srautas, kaip parodyta paveikslėlyje aukščiau, yra lygus nuliui. Galima teigti, kad bendras srautas lygus nuliui, nes bloko viduje nėra elektros krūvio. Todėl, jei uždarame paviršiuje, pavyzdžiui, bloke, kube, rutulyje ar kitame objekte, nėra elektros krūvio, bendras srautas lygus nuliui. O kas, jeigu uždarame paviršiuje yra elektros krūvis?

Tarkime, kad sferos centre yra elektros krūvis, kaip parodyta paveikslėlyje dešinėje. Keturios pavaizduotos elektrinio lauko linijos žymi kitas elektrinio lauko linijas, kurios juda iš sferos centro statmenai sferos paviršiui. Kiekviena linija yra statmena sferos paviršiui, per kurį ji eina, ir sudaro 0 ° kampą su statmena, statmena sferos paviršiui.

Elektros srautas sferoje:

Elektrinio lauko stiprumo formulė yra E = k Q / r 2 , o sferos paviršiaus ploto formulė yra A = 4 π r 2, todėl srauto formulė pasikeičia į:

Elektros srautas 5

Jei krūvis sferos centre yra +2Q, tai srautas sferoje yra

Elektros srautas 6

Remiantis aukščiau pateikta formule, daroma išvada, kad jei uždaro sferinio paviršiaus viduje yra elektros krūvis, tai srauto vertė sferoje nepriklauso nuo sferos skersmens ar spindulio. Srauto vertė yra 4πk kartų didesnė už bendrą elektros krūvį sferos viduje arba 1/ε0 kartų didesnė už bendrą elektros krūvį sferos viduje.

Elektros srauto blokas

Pagrindinė srauto formulė yra Φ = EA, kur E yra elektrinio lauko stipris, o A – paviršiaus plotas. Elektrinio lauko matavimo vienetas yra niutonas vienam kulonui (N/C), o paviršiaus ploto vienetas yra kvadratinis metras (m² ) , taigi srauto matavimo vienetas yra niutonas vienam kulonui (Nm² / C).

 

Palikite komentarą