Temos tema Elektrinis laukas, 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. Vieno elektros krūvio arba dviejų elektros krūvių sukurto elektrinio lauko stiprumo apskaičiavimas lengvai išsprendžiamas naudojant elektrinio lauko stiprumo formulę. Jei skaičiuojamas elektrinio lauko stiprumas, kurį sukuria elektros krūvių pasiskirstymas, skaičiavimas yra sudėtingesnis, jei naudojama elektrinio lauko stiprumo formulė, bet lengvesnis, jei naudojama Gauso dėsnisPrieš pradedant nuodugniai nagrinėti Gauso dėsnį, pirmiausia turime suprasti elektros srautą, nes Gauso dėsnyje vartojama elektros srauto sąvoka.
Elektros srauto supratimas
Žodis „flux“ kilęs iš lotyniško žodžio, fluere, o tai reiškia tekėti. Pažodžiui elektros srautas gali būti apibrėžiamas kaip elektrinio lauko tekėjimas. Žodis „tekėjimas“ čia nereiškia tekančio elektrinio lauko, kaip tekančio vandens atveju, o apibūdina tam tikra kryptimi nukreipto elektrinio lauko buvimą. Apie temą Elektrinio lauko linijos Jau paaiškinta, kad elektriniai laukai vizualizuojami arba vaizduojami naudojant elektrinio lauko linijas, todėl srautas taip pat vaizduojamas elektrinio lauko linijomis. 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.
elektrinio 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
transformuota į:
Φ = EA cos 0o = EA (1)
Φ = EA ……………. (2 lygtis)
Remiantis aukščiau pateikta srauto formule, galima daryti keletą išvadų. Pirmas, srautas turi didžiausią vertę, kai elektrinio lauko linija yra statmena paviršiaus plotui, nes tokiu atveju kampas tarp elektrinio lauko linijos ir statmens linijos yra 0o, kur kosinuso reikšmė yra 0o yra 1. Antra, srautas turi minimalią vertę, kai elektrinio lauko linijos yra lygiagrečios paviršiaus plotui, nes tokiu atveju kampas tarp elektrinio lauko linijų ir statmens linijos yra 90o, kur kosinuso reikšmė yra 90o yra 0. Ketiga, 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 kitokios formos.
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.
Geltonai 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 raudonos elektrinio lauko linijos, atrodo, juda į bloką, o paskui iš jo išeina. Kai elektrinio lauko linijos juda į bloką, tarsi bloko viduje būtų neigiamas krūvis, srautas yra neigiamas. Ir atvirkščiai, kai elektrinio lauko linijos juda iš bloko, tarsi bloko viduje būtų teigiamas krūvis, elektrinis srautas yra teigiamas. Kokybiškai arba be skaičiavimo, jei į bloką įeinančių elektrinio lauko linijų skaičius yra lygus iš bloko išeinančių elektrinio lauko linijų skaičiui, gaunamas srautas lygus nuliui. Kiekybiškai arba naudojant skaičiavimus, per bloką einantis gaunamas elektrinis srautas apskaičiuojamas taip: įeinantis srautas = Φ1 = – EA cos 0o = –EA (1) = -EA ir išorinis srautas = Φ2 = + EA cos 0o = + EA (1) = +E A. Bendras srautas yra Φ = -Φ1 + Φ2 = -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.o su normalia linija, statmena sferos paviršiui.
Elektros srautas sferoje:
Elektrinio lauko stiprumo formulė yra E = k Q / r2 ir sferos paviršiaus ploto formulė yra A = 4 π r2 kad srauto formulė pasikeistų į:
![]()
Jei krūvis sferos centre yra +2Q, tai srautas sferoje yra
![]()
Remiantis aukščiau pateikta formule, galima daryti išvadą, kad jei uždaro sferinio paviršiaus viduje yra elektros krūvis, srauto vertė sferoje nepriklauso nuo sferos skersmens ar spindulio. Srauto vertė yra 4πk kartų didesnė už bendrą elektros krūvį sferos viduje, arba 1/ε.o kartų didesnis už bendrą elektros krūvį rutulio 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 kulonui (N/C), o paviršiaus ploto vienetas yra metras kvadratu (m²).2), kad srauto vienetas būtų niutonmetrai kvadratu vienam kulonui (Nm2/C).