Takrifan fluks elektrik
Berkenaan medan elektrik, telah dibincangkan definisi dan persamaan medan elektrik yang boleh digunakan untuk mengira kekuatan medan elektrik yang dihasilkan oleh cas elektrik, beberapa cas elektrik atau oleh 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 formula untuk kekuatan medan elektrik digunakan, tetapi lebih mudah menggunakan hukum Gauss . Sebelum mempelajari hukum Gauss secara mendalam, fahami dahulu fluks elektrik kerana konsep fluks elektrik yang digunakan dalam hukum Gauss.
Perkataan fluks berasal daripada perkataan Latin, fluere, yang bermaksud mengalir. Fluks elektrik boleh ditafsirkan sebagai aliran medan elektrik. Perkataan aliran di sini tidak menunjukkan medan elektrik yang mengalir seperti air yang mengalir, tetapi menjelaskan kewujudan medan elektrik yang menuju ke arah tertentu. Berkenaan garis medan elektrik, telah dijelaskan bahawa medan elektrik divisualisasikan atau dilukis menggunakan garis medan elektrik, dan oleh itu fluks elektrik juga digambarkan sebagai garis medan elektrik. Jadi fluks elektrik ialah garis medan elektrik yang melalui luas permukaan tertentu, seperti yang dicontohkan dalam rajah di bawah.
Persamaan fluks elektrik
Secara matematik, fluks elektrik ialah hasil darab medan elektrik (E), luas permukaan (A) dan kosinus sudut antara garis medan elektrik dan garis normal yang berserenjang dengan permukaan.
F = EA cos θ …………. (Persamaan 1)
Jika garis medan elektrik berserenjang dengan luas permukaan yang dilaluinya seperti dalam rajah, maka sudut antara garis medan elektrik dan garis normal ialah 0 ° , dengan cos 0 ° = 1. Oleh itu, formula untuk fluks elektrik berubah kepada:
F = EA cos 0o = EA (1)
F = EA …………………. (Persamaan 2)
Berdasarkan formula, fluks elektrik di atas menyimpulkan beberapa perkara. Pertama, fluks elektrik adalah maksimum apabila garis medan elektrik berserenjang dengan luas permukaan kerana pada keadaan ini sudut antara garis medan elektrik dan garis normal ialah 0o, dengan kosinus 0o ialah 1. Kedua, fluks elektrik adalah minimum apabila garis medan elektrik selari dengan luas permukaan kerana pada keadaan ini sudut antara garis medan elektrik dan garis normal ialah 90o , dengan kosinus 90o ialah 0. Ketiga, fluks elektrik bergantung pada medan elektrik (E) dan luas permukaan (A). Selain luas permukaan berbentuk segi empat sama seperti dalam contoh di atas, luas permukaan juga boleh berbentuk sfera dan lain-lain.
Fluks elektrik pada permukaan tertutup
Cas elektrik yang diterangkan sebelum ini menggunakan contoh permukaan terbuka (luas permukaan segi empat sama atau segi empat tepat). Bagaimanakah fluks elektrik berlaku pada permukaan tertutup seperti kubus, rasuk atau bola? Katakan terdapat garis medan elektrik yang melalui rasuk tersebut, seperti yang ditunjukkan di bawah.
Garisan medan elektrik yang berwarna biru bertepatan dengan permukaan atas dan bawah pancaran supaya ia membentuk sudut 90o dengan garis normal permukaan atas dan bawah. Oleh itu, fluks elektrik pada permukaan atas dan bawah rasuk ialah F = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Garisan medan elektrik yang diberi warna kuning bertepatan dengan permukaan sisi kanan dan kiri rasuk supaya ia membentuk sudut 90 ° dengan garis normal permukaan sisi kiri dan kanan. Oleh itu, fluks elektrik di sisi kanan dan kiri rasuk ialah F = EA cos 90 ° = EA (0) = 0.
Garisan medan elektrik diberi garisan serenjang merah dengan permukaan hadapan dan belakang rasuk supaya ia membentuk sudut 0 ° dengan garisan normal permukaan hadapan dan belakang. Oleh itu, fluks elektrik ialah F = EA cos 0 ° = EA (1) = EA A.
Dalam rajah di atas, garisan merah medan elektrik yang kelihatan bergerak ke dalam pancaran dan kemudian bergerak keluar dari pancaran. Apabila garisan medan elektrik bergerak ke dalam pancaran seolah-olah terdapat cas negatif di dalam pancaran, fluks elektrik adalah negatif. Sebaliknya, apabila garisan medan elektrik bergerak keluar dari pancaran seolah-olah terdapat cas positif di dalam pancaran, fluks elektrik adalah positif. Secara kualitatif, jika bilangan garisan medan elektrik yang memasuki pancaran adalah sama dengan bilangan garisan medan elektrik yang keluar dari pancaran, fluks elektrik yang terhasil adalah sifar. Secara kuantitatif, fluks elektrik yang terhasil melalui pancaran dikira dengan cara berikut: fluks elektrik masuk = F 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA dan fluks elektrik keluar = F 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = + E A. Jumlah fluks elektrik ialah F = – F 1 + F 2 = -EA + EA = 0.
Berdasarkan pengiraan di atas, disimpulkan bahawa jumlah fluks elektrik yang melalui pancaran seperti dalam rajah di atas adalah sifar. Boleh dikatakan bahawa jumlah fluks elektrik adalah sifar kerana tiada cas elektrik dalam pancaran tersebut. Jadi, jika tiada cas elektrik dalam permukaan tertutup seperti pancaran, kubus, sfera, dan sebagainya, jumlah fluks elektrik adalah sifar. Bagaimana jika terdapat cas elektrik pada permukaan tertutup?
Katakan terdapat cas elektrik di tengah bola, seperti yang ditunjukkan dalam rajah di sisi. Empat garis medan elektrik digambarkan sebagai mewakili garis medan elektrik lain yang bergerak keluar dari pusat sfera berserenjang dengan permukaan sfera. Setiap garis berserenjang dengan permukaan bola, yang melaluinya ia membentuk sudut 0.o dengan garis normal yang berserenjang dengan permukaan bola.
Fluks elektrik pada bola: Φ = E A.
Formula kekuatan medan elektrik ialah E = kq / r 2 , dan persamaan luas permukaan sfera ialah A = 4 pr 2 supaya formula fluks elektrik berubah kepada:
Jika cas di pusat bola ialah + 2Q, maka fluks elektrik pada bola ialah
Berdasarkan formula fluks elektrik, disimpulkan bahawa jika terdapat cas elektrik dalam permukaan sfera tertutup,
Nilai fluks elektrik pada bola tidak bergantung pada diameter atau jejari bola. Magnitud fluks elektrik ialah 4πk darab jumlah cas elektrik dalam bola, atau 1/εo darab jumlah cas elektrik dalam bola.
Unit fluks elektrik
Formula asas fluks elektrik ialah F = 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 ) supaya unit fluks elektrik ialah Newton meter persegi per Coulomb (Nm2 / C).
