Elektriskā lauka tēmā mēs apspriedām elektriskā lauka definīciju un formulu, ko var izmantot, lai aprēķinātu elektriskā lauka stiprumu, ko rada viens elektriskais lādiņš, vairāki elektriskie lādiņi vai elektrisko lādiņu sadalījums. Elektriskā lādiņa vai divu elektrisko lādiņu radītā elektriskā lauka stipruma aprēķinu var viegli atrisināt, izmantojot elektriskā lauka stipruma formulu. Ja tiek aprēķināts elektriskā lauka stiprums, ko rada elektriskā lādiņa sadalījums, aprēķins ir sarežģītāks, ja tiek izmantota elektriskā lauka stipruma formula, bet vienkāršāks, ja tiek izmantots Gausa likums . Pirms padziļinātas Gausa likuma izpētes vispirms ir jāizprot elektriskā plūsma, jo Gausa likumā tiek lietots elektriskās plūsmas jēdziens.
Elektriskās plūsmas izpratne
Vārds "flux" (plūsma) cēlies no latīņu vārda " fluere" , kas nozīmē plūst. Burtiski elektriskā plūsma var tikt definēta kā elektriskā lauka plūsma. Vārds "flow" šeit nenorāda uz elektrisko lauku, kas plūst kā plūstošs ūdens, bet gan apraksta elektriskā lauka klātbūtni, kas vērsts noteiktā virzienā. Elektriskā lauka līniju tēmā tika paskaidrots, ka elektriskie lauki tiek vizualizēti vai attēloti, izmantojot elektriskā lauka līnijas, tāpēc plūsma arī tiek attēlota kā elektriskā lauka līnijas. Tātad plūsma ir elektriskā lauka līnijas, kas iet caur noteiktu virsmas laukumu, kā parādīts attēlā zemāk.
Formula
Matemātiski elektriskā plūsma ir elektriskā lauka (E), virsmas laukuma (A) un leņķa kosinusa reizinājums starp
elektriskā lauka līnijas ar normāllīnijām, kas ir perpendikulāras virsmai.
Φ = EA cos θ ……………. (1. vienādojums)
Ja elektriskā lauka līnijas ir perpendikulāras virsmas laukumam, caur kuru tās iet, kā parādīts attēlā, tad leņķis starp elektriskā lauka līnijām un normāllīniju ir 0.o, kur cos 0o = 1. Tādējādi formula
pārveidots par:
Φ = EA cos 0o = EA (1)
Φ = EA ……………. (2. vienādojums)
Pamatojoties uz iepriekš minēto plūsmas formulu, var secināt vairākus secinājumus. Pirmkārt , plūsma ir maksimālā vērtībā, kad elektriskā lauka līnija ir perpendikulāra virsmas laukumam, jo šādā stāvoklī leņķis starp elektriskā lauka līniju un normāli ir 0 ° , kur 0 ° kosinusa vērtība ir 1. Otrkārt , plūsma ir minimālā vērtībā, kad elektriskā lauka līnija ir paralēla virsmas laukumam, jo šādā stāvoklī leņķis starp elektriskā lauka līniju un normāli ir 90 ° , kur 90 ° kosinusa vērtība ir 0. Treškārt , plūsma ir atkarīga no elektriskā lauka (E) un virsmas laukuma (A). Papildus taisnstūra virsmas laukumam, kā iepriekš minētajā piemērā, virsmas laukums var būt arī sfērisks un cits.
Pārklāta virsma
Iepriekš aprakstītajai elektriskās plūsmas piemēram tika izmantota atvērta virsma (kvadrātveida vai taisnstūrveida virsmas laukums). Kā ir ar plūsmu uz slēgtas virsmas, piemēram, kuba, bloka vai sfēras? Pieņemsim, ka caur bloku iet elektriskā lauka līnijas, kā parādīts attēlā zemāk.
Zilās krāsas elektriskā lauka līnijas sakrīt ar stara augšējo un apakšējo virsmu, veidojot 90 grādu leņķi.o ar augšējās un apakšējās virsmas normāllīnijām. Tādējādi plūsma uz sijas augšējo un apakšējo virsmu ir Φ = EA cos 90o = EA(0) = 0.
Dzeltenā krāsā iekrāsotās elektriskā lauka līnijas sakrīt ar stara labo un kreiso sānu virsmām tā, ka tās veido 90 grādu leņķi.o ar kreisās un labās sānu virsmu normāllīnijām. Tādējādi plūsma uz bloka labās un kreisās sānu virsmas ir Φ = EA cos 90o = EA(0) = 0.
Sarkanās elektriskā lauka līnijas ir perpendikulāras bloka priekšējai un aizmugurējai virsmai, veidojot 0 leņķi.o ar priekšējās un aizmugurējās virsmas normāllīnijām. Tādējādi plūsma ir Φ = EA cos 0o = EA (1) = EA A.
Augstāk redzamajā attēlā redzamas sarkanās elektriskā lauka līnijas, kas virzās blokā un pēc tam virzās ārā no tā. Kad elektriskā lauka līnijas virzās blokā tā, it kā blokā būtu negatīvs lādiņš, plūsma ir negatīva. Un otrādi, kad elektriskā lauka līnijas virzās ārā no bloka tā, it kā blokā būtu pozitīvs lādiņš, elektriskā plūsma ir pozitīva. Kvalitatīvi vai bez aprēķina, ja blokā ienākošo elektriskā lauka līniju skaits ir tāds pats kā bloku iziejošo elektriskā lauka līniju skaits, iegūtā plūsma ir nulle. Kvantitatīvi vai izmantojot aprēķinus, iegūtā elektriskā plūsma, kas iet caur bloku, tiek aprēķināta šādi: ienākošā plūsma = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA un izejošā plūsma = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = +E A. Kopējā plūsma ir Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.
Pamatojoties uz iepriekš minētajiem aprēķiniem, tiek secināts, ka kopējā plūsma, kas iet caur bloku, kā parādīts attēlā, ir nulle. Var teikt, ka kopējā plūsma ir nulle, jo bloka iekšpusē nav elektriskā lādiņa. Tādēļ, ja slēgtā virsmā, piemēram, blokā, kubā, sfērā vai citā objektā, nav elektriskā lādiņa, kopējā plūsma ir nulle. Ko darīt, ja slēgtajā virsmā ir elektriskais lādiņš?
Pieņemsim, ka sfēras centrā atrodas elektriskais lādiņš, kā parādīts attēlā labajā pusē. Četras attēlotās elektriskā lauka līnijas attēlo citas elektriskā lauka līnijas, kas virzās uz āru no sfēras centra perpendikulāri sfēras virsmai. Katra līnija ir perpendikulāra sfēras virsmai, caur kuru tā iet, veidojot 0 ° leņķi ar normāli, kas ir perpendikulāra sfēras virsmai.
Elektriskā plūsma sfērā:
Elektriskā lauka stipruma formula ir E = k Q / r 2 , un sfēras virsmas laukuma formula ir A = 4 π r 2, tāpēc plūsmas formula mainās uz:
![]()
Ja lādiņš sfēras centrā ir +2Q, tad plūsma sfērā ir
![]()
Pamatojoties uz iepriekš minēto formulu, tiek secināts, ka, ja slēgtas sfēriskas virsmas iekšpusē ir elektriskais lādiņš, tad plūsmas vērtība sfērā nav atkarīga no sfēras diametra vai rādiusa. Plūsmas vērtība ir 4πk reizes lielāka par kopējo elektrisko lādiņu sfēras iekšpusē vai 1/ε0 reizes lielāka par kopējo elektrisko lādiņu sfēras iekšpusē.
Elektriskās plūsmas bloks
Plūsmas pamatformula ir Φ = EA, kur E ir elektriskā lauka stiprums un A ir virsmas laukums. Elektriskā lauka mērvienība ir ņūtoni uz kulonu (N/C), un virsmas laukuma mērvienība ir kvadrātmetrs (m² ) , tātad plūsmas mērvienība ir ņūtoni uz kulonu (Nm² / C).