Dalam topik Medan Elektrik , kita telah membincangkan definisi dan formula medan elektrik yang boleh digunakan untuk mengira kekuatan medan elektrik yang dihasilkan oleh satu cas elektrik, beberapa cas elektrik atau melalui taburan cas elektrik. Pengiraan kekuatan medan elektrik yang dihasilkan oleh satu atau dua cas elektrik mudah diselesaikan menggunakan formula kekuatan medan elektrik. Jika yang dikira ialah kekuatan medan elektrik yang dihasilkan oleh taburan cas elektrik, pengiraannya lebih rumit jika menggunakan formula kekuatan medan elektrik tetapi lebih mudah jika menggunakan hukum Gauss . Sebelum mempelajari hukum Gauss secara mendalam, fahami dahulu fluks elektrik kerana konsep fluks elektrik digunakan dalam hukum Gauss.
Memahami Fluks Elektrik
Perkataan fluks berasal daripada perkataan Latin, fluere , yang bermaksud mengalir. Secara literal, fluks elektrik boleh ditakrifkan sebagai aliran medan elektrik. Perkataan aliran di sini tidak menunjukkan medan elektrik yang mengalir seperti air yang mengalir, tetapi sebaliknya menggambarkan kehadiran medan elektrik yang menunjuk ke arah tertentu. Dalam topik Garis Medan Elektrik, telah dijelaskan bahawa medan elektrik divisualisasikan atau digambarkan menggunakan garis medan elektrik, oleh itu fluks juga digambarkan sebagai garis medan elektrik. Jadi fluks ialah garis medan elektrik yang melalui luas permukaan tertentu, seperti yang dicontohkan dalam imej di bawah.
Formula
Secara matematik, fluks elektrik ialah hasil darab medan elektrik (E), luas permukaan (A) dan kosinus sudut antara
garis medan elektrik dengan garis normal yang berserenjang dengan permukaan.
Φ = EA cos θ …………………. (Persamaan 1)
Jika garis medan elektrik berserenjang dengan luas permukaan yang dilaluinya seperti dalam gambar, maka sudut antara garis medan elektrik dan garis normal ialah 0.o, di mana cos 0o = 1. Oleh itu, formulanya
diubah menjadi:
Φ = EA cos 0o = EA (1)
Φ = EA …………………. (Persamaan 2)
Berdasarkan formula fluks di atas, beberapa perkara boleh disimpulkan. Pertama , fluks berada pada nilai maksimumnya apabila garis medan elektrik berserenjang dengan luas permukaan kerana dalam keadaan tersebut sudut antara garis medan elektrik dan garis normal ialah 0 ° , di mana nilai kosinus 0 ° ialah 1. Kedua , fluks berada pada nilai minimumnya apabila garis medan elektrik selari dengan luas permukaan kerana dalam keadaan tersebut sudut antara garis medan elektrik dan garis normal ialah 90 ° , di mana nilai kosinus 90 ° ialah 0. Ketiga , fluks bergantung pada medan elektrik (E) dan luas permukaan (A). Selain luas permukaan segi empat tepat seperti dalam contoh di atas, luas permukaan juga boleh berbentuk sfera dan lain-lain.
Permukaan Bertutup
Fluks elektrik yang diterangkan sebelum ini menggunakan contoh permukaan terbuka (luas permukaan segi empat sama atau segi empat tepat). Bagaimana pula dengan fluks pada permukaan tertutup seperti kubus, bongkah atau sfera? Katakan terdapat garis medan elektrik yang melalui bongkah tersebut, seperti dalam rajah di bawah.
Garisan medan elektrik berwarna biru bertepatan dengan permukaan atas dan bawah rasuk untuk membentuk sudut 90o dengan garis normal permukaan atas dan bawah. Oleh itu, fluks pada permukaan atas dan bawah rasuk ialah Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Garis medan elektrik berwarna kuning bertepatan dengan permukaan sisi kanan dan kiri pancaran supaya ia membentuk sudut 90o dengan garis normal permukaan sisi kiri dan kanan. Oleh itu, fluks pada permukaan sisi kanan dan kiri blok ialah Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Garisan medan elektrik berwarna merah berserenjang dengan permukaan hadapan dan belakang bongkah, membentuk sudut 0.o dengan garis normal permukaan hadapan dan belakang. Oleh itu, fluks ialah Φ = EA cos 0o = EA (1) = EA.
Dalam imej di atas, garisan medan elektrik merah dilihat bergerak ke dalam blok dan kemudian bergerak keluar dari blok. Apabila garisan medan elektrik bergerak ke dalam blok seolah-olah terdapat cas negatif di dalam blok, fluks adalah negatif. Sebaliknya, apabila garisan medan elektrik bergerak keluar dari blok seolah-olah terdapat cas positif di dalam blok, fluks elektrik adalah positif. Secara kualitatif atau tanpa pengiraan, jika bilangan garisan medan elektrik yang memasuki blok adalah sama dengan bilangan garisan medan elektrik yang meninggalkan blok, fluks yang terhasil adalah sifar. Secara kuantitatif atau menggunakan pengiraan, fluks elektrik yang terhasil yang melalui blok dikira seperti berikut: fluks masuk = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA dan fluks keluar = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = +E A. Jumlah fluks ialah Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.
Berdasarkan pengiraan di atas, disimpulkan bahawa jumlah fluks yang melalui blok tersebut, seperti yang ditunjukkan dalam rajah di atas, adalah sifar. Boleh dikatakan bahawa jumlah fluks adalah sifar kerana tiada cas elektrik di dalam blok tersebut. Oleh itu, jika tiada cas elektrik di dalam permukaan tertutup seperti blok, kubus, sfera atau objek lain, jumlah fluks adalah sifar. Bagaimana jika terdapat cas elektrik di dalam permukaan tertutup tersebut?
Katakan terdapat cas elektrik di pusat sfera seperti yang ditunjukkan dalam rajah di sebelah kanan. Empat garis medan elektrik yang digambarkan mewakili garis medan elektrik lain yang bergerak keluar dari pusat sfera berserenjang dengan permukaan sfera. Setiap garis berserenjang dengan permukaan sfera yang dilaluinya, membentuk sudut 0 ° dengan garis normal berserenjang dengan permukaan sfera.
Fluks elektrik dalam sfera:
Formula untuk kekuatan medan elektrik ialah E = k Q / r 2 dan formula untuk luas permukaan sfera ialah A = 4 π r 2 supaya formula fluks berubah kepada:
![]()
Jika cas di pusat sfera ialah +2Q, maka fluks dalam sfera ialah
![]()
Berdasarkan formula di atas, disimpulkan bahawa jika terdapat cas elektrik di dalam permukaan sfera tertutup, maka nilai fluks dalam sfera tidak bergantung pada diameter atau jejari sfera. Nilai fluks ialah 4πk darab jumlah cas elektrik di dalam sfera atau 1/εo darab jumlah cas elektrik di dalam sfera.
Unit Fluks Elektrik
Formula asas untuk fluks ialah Φ = EA, dengan E ialah kekuatan medan elektrik dan A ialah luas permukaan. Unit medan elektrik ialah Newton per Coulomb (N/C) dan unit luas permukaan ialah meter persegi (m2 ) jadi unit fluks ialah Newton meter persegi per Coulomb (Nm2 / C).