In het onderwerp Elektrisch veld hebben we de definitie en formule van het elektrisch veld besproken. Deze formule kan worden gebruikt om de veldsterkte te berekenen die wordt opgewekt door één elektrische lading, meerdere elektrische ladingen of een verdeling van elektrische ladingen. De veldsterkte die wordt opgewekt door één of twee elektrische ladingen kan eenvoudig worden berekend met behulp van de formule voor de veldsterkte. Als de veldsterkte van een verdeling van elektrische ladingen moet worden berekend, is de berekening ingewikkelder met behulp van de formule voor de veldsterkte, maar eenvoudiger met behulp van de wet van Gauss . Voordat we de wet van Gauss diepgaand bestuderen, is het belangrijk om eerst het concept van elektrische flux te begrijpen, aangezien dit concept in de wet van Gauss wordt gebruikt.
Inzicht in elektrische flux
Het woord flux komt van het Latijnse woord fluere , wat 'stromen' betekent. Letterlijk kan elektrische flux worden gedefinieerd als de stroom van een elektrisch veld. Het woord 'stromen' duidt hier niet op een elektrisch veld dat stroomt als stromend water, maar beschrijft de aanwezigheid van een elektrisch veld dat in een bepaalde richting wijst. In het onderwerp ' Elektrische veldlijnen' werd uitgelegd dat elektrische velden worden gevisualiseerd of weergegeven met behulp van elektrische veldlijnen; daarom wordt flux ook weergegeven als elektrische veldlijnen. Flux is dus de stroom van elektrische veldlijnen die door een bepaald oppervlak loopt, zoals te zien is in de afbeelding hieronder.
Formule
Wiskundig gezien is de elektrische flux het product van het elektrische veld (E), het oppervlak (A) en de cosinus van de hoek tussen
elektrische veldlijnen met normaallijnen loodrecht op het oppervlak.
Φ = EA cos θ ……………. (Vergelijking 1)
Als de elektrische veldlijnen loodrecht staan op het oppervlak waar ze doorheen gaan, zoals in de afbeelding, dan is de hoek tussen de elektrische veldlijnen en de normaal 0°.o, waarbij cos 0o = 1. Dus de formule
omgezet in:
Φ = EA cos 0o = EA (1)
Φ = EA ……………. (Vergelijking 2)
Op basis van de bovenstaande fluxformule kunnen verschillende conclusies worden getrokken. Ten eerste is de flux maximaal wanneer de elektrische veldlijn loodrecht op het oppervlak staat, omdat in dat geval de hoek tussen de elektrische veldlijn en de normaal 0 ° is , waarbij de cosinus van 0 ° gelijk is aan 1. Ten tweede is de flux minimaal wanneer de elektrische veldlijn parallel aan het oppervlak staat, omdat in dat geval de hoek tussen de elektrische veldlijn en de normaal 90° is , waarbij de cosinus van 90 ° gelijk is aan 0. Ten derde is de flux afhankelijk van het elektrische veld (E) en het oppervlak (A). Naast een rechthoekig oppervlak zoals in het bovenstaande voorbeeld, kan het oppervlak ook bolvormig of andere vormen hebben.
Bedekt oppervlak
De eerder beschreven elektrische flux gebruikte het voorbeeld van een open oppervlak (een vierkant of rechthoekig oppervlak). Hoe zit het met de flux op een gesloten oppervlak, zoals een kubus, blok of bol? Stel dat er elektrische veldlijnen door het blok lopen, zoals in de onderstaande afbeelding.
De blauw gekleurde elektrische veldlijnen vallen samen met de boven- en onderkant van de balk en vormen een hoek van 90 graden.o met de normaallijnen van de boven- en onderoppervlakken. De flux op de boven- en onderoppervlakken van de bundel is dus Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
De geel gekleurde elektrische veldlijnen vallen samen met de linker- en rechterzijvlakken van de balk, waardoor ze een hoek van 90 graden vormen.o met de normaallijnen van de linker- en rechterzijvlakken. De flux op de linker- en rechterzijvlakken van het blok is dus Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
De rood gekleurde elektrische veldlijnen staan loodrecht op de voor- en achterkant van het blok en vormen een hoek van 0°.o met de normaallijnen van de voor- en achteroppervlakken. De flux is dus Φ = EA cos 0o = EA (1) = E A.
In de afbeelding hierboven is te zien hoe de rode elektrische veldlijnen het blok in en uit bewegen. Wanneer de elektrische veldlijnen het blok in bewegen, alsof er een negatieve lading in het blok aanwezig is, is de flux negatief. Omgekeerd, wanneer de elektrische veldlijnen het blok uit bewegen, alsof er een positieve lading in het blok aanwezig is, is de elektrische flux positief. Kwalitatief, of zonder berekening, geldt dat als het aantal elektrische veldlijnen dat het blok binnenkomt gelijk is aan het aantal elektrische veldlijnen dat het blok verlaat, de resulterende flux nul is. Kwantitatief, of met behulp van berekeningen, wordt de resulterende elektrische flux die door het blok gaat als volgt berekend: inkomende flux = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA en uitgaande flux = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = +EA. De totale flux is Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.
Op basis van de bovenstaande berekeningen kan worden geconcludeerd dat de totale flux die door het blok gaat, zoals weergegeven in de afbeelding, nul is. Dit komt doordat er geen elektrische lading in het blok aanwezig is. Daarom geldt dat als er geen elektrische lading aanwezig is binnen een gesloten oppervlak, zoals een blok, kubus, bol of ander object, de totale flux nul is. Maar wat als er wél een elektrische lading aanwezig is binnen het gesloten oppervlak?
Stel dat er een elektrische lading in het middelpunt van de bol aanwezig is, zoals weergegeven in de figuur rechts. De vier afgebeelde elektrische veldlijnen stellen andere elektrische veldlijnen voor die vanuit het middelpunt van de bol naar buiten lopen, loodrecht op het oppervlak van de bol. Elke lijn staat loodrecht op het oppervlak van de bol waar hij doorheen loopt en vormt een hoek van 0 ° met de normaal die loodrecht op het oppervlak van de bol staat.
Elektrische flux in de bol:
De formule voor de elektrische veldsterkte is E = kQ/r² en de formule voor het oppervlak van een bol is A = 4πr², waardoor de formule voor de flux verandert in:
![]()
Als de lading in het middelpunt van de bol +2Q is, dan is de flux in de bol gelijk aan...
![]()
Op basis van de bovenstaande formule wordt geconcludeerd dat, indien er een elektrische lading aanwezig is binnen een gesloten bolvormig oppervlak, de fluxwaarde in de bol niet afhangt van de diameter of de straal van de bol. De fluxwaarde is 4πk maal de totale elektrische lading binnen de bol of 1/εo maal de totale elektrische lading binnen de bol.
Elektrische fluxeenheid
De basisformule voor flux is Φ = EA, waarbij E de elektrische veldsterkte is en A het oppervlak. De eenheid van elektrisch veld is Newton per Coulomb (N/C) en de eenheid van oppervlak is de vierkante meter (m² ) , dus de eenheid van flux is Newton vierkante meter per Coulomb (Nm² / C).