Elektrisk fluks

I emnet Elektrisk felt har vi diskutert definisjonen og formelen for elektrisk felt som kan brukes til å beregne den elektriske feltstyrken produsert av én elektrisk ladning, flere elektriske ladninger eller av en fordeling av elektriske ladninger. Beregning av den elektriske feltstyrken produsert av en elektrisk ladning eller to elektriske ladninger løses enkelt ved hjelp av formelen for elektrisk feltstyrke. Hvis det som beregnes er den elektriske feltstyrken produsert av en elektrisk ladningsfordeling, er beregningen mer komplisert hvis man bruker formelen for elektrisk feltstyrke, men enklere hvis man bruker Gauss' lov . Før du studerer Gauss' lov i dybden, må du først forstå den elektriske fluksen fordi konseptet elektrisk fluks brukes i Gauss' lov.

Forstå elektrisk fluks

Ordet fluks kommer fra det latinske ordet * fluere* , som betyr å flyte. Bokstavelig talt kan elektrisk fluks defineres som strømmen av et elektrisk felt. Ordet flyt her indikerer ikke et elektrisk felt som flyter som rennende vann, men beskriver snarere tilstedeværelsen av et elektrisk felt som peker i en bestemt retning. I emnet om elektriske feltlinjer ble det forklart at elektriske felt visualiseres eller avbildes ved hjelp av elektriske feltlinjer, derfor er fluks også avbildet som elektriske feltlinjer. Så fluks er de elektriske feltlinjene som går gjennom et visst overflateareal, som eksemplifisert i bildet nedenfor.

Formel 

Matematisk sett er elektrisk fluks produktet av det elektriske feltet (E), overflatearealet (A) og cosinus til vinkelen mellom Elektrisk fluks 1elektriske feltlinjer med normale linjer vinkelrett på overflaten.

Φ = EA cos θ ……………. (Ligning 1)

Hvis de elektriske feltlinjene er vinkelrett på overflatearealet de går gjennom, som på bildet, er vinkelen mellom de elektriske feltlinjene og normallinjen 0.o, hvor cos 0o = 1. Dermed formelen Elektrisk fluks 2forvandlet til:

Φ = EA cos 0o = EA (1)
Φ = EA ……………. (Ligning 2)

Basert på fluksformelen ovenfor kan flere ting konkluderes. For det første er fluksen på sin maksimale verdi når den elektriske feltlinjen er vinkelrett på overflatearealet, fordi i den tilstanden er vinkelen mellom den elektriske feltlinjen og normallinjen 0 ° , hvor cosinusverdien på 0 ° er 1. For det andre er fluksen på sin minimumsverdi når den elektriske feltlinjen er parallell med overflatearealet, fordi i den tilstanden er vinkelen mellom den elektriske feltlinjen og normallinjen 90 ° , hvor cosinusverdien på 90 ° er 0. For det tredje avhenger fluksen av det elektriske feltet (E) og overflatearealet (A). I ​​tillegg til det rektangulære overflatearealet som i eksemplet ovenfor, kan overflatearealet også være sfærisk og annet.

Dekket overflate

Den elektriske fluksen som er beskrevet tidligere, brukte eksemplet med en åpen overflate (et kvadratisk eller rektangulært overflateareal). Hva med fluksen på en lukket overflate, for eksempel en kube, blokk eller kule? Anta at det er elektriske feltlinjer som går gjennom blokken, som i figuren nedenfor.
De elektriske feltlinjene som er farget blå, sammenfaller med strålens øvre og nedre overflater, slik at de danner en 90-graders vinkel.o med normallinjene til de øvre og nedre overflatene. Dermed er fluksen på de øvre og nedre overflatene av bjelken Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.

Elektrisk fluks 3De elektriske feltlinjene som er farget gult, sammenfaller med strålens høyre og venstre sideflater slik at de danner en 90-graders vinkel.o med normallinjene på venstre og høyre sideflate. Dermed er fluksen på blokkens høyre og venstre sideflate Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
De elektriske feltlinjene som er farget rødt er vinkelrett på blokkens for- og bakflater, og danner en vinkel på 0o med normallinjene til for- og bakflatene. Dermed er fluksen Φ = EA cos 0o = EA (1) = E A.

På bildet ovenfor sees de røde elektriske feltlinjene som beveger seg inn i blokken og deretter ut av blokken. Når de elektriske feltlinjene beveger seg inn i blokken som om det er en negativ ladning i blokken, er fluksen negativ. Omvendt, når de elektriske feltlinjene beveger seg ut av blokken som om det er en positiv ladning i blokken, er den elektriske fluksen positiv. Kvalitativt eller uten beregning, hvis antallet elektriske feltlinjer som kommer inn i blokken er det samme som antallet elektriske feltlinjer som forlater blokken, er den resulterende fluksen null. Kvantitativt eller ved bruk av beregninger, beregnes den resulterende elektriske fluksen som passerer gjennom blokken som følger: innkommende fluks = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA og utgående fluks = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = +EA A. Den totale fluksen er Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.

Basert på beregningene ovenfor konkluderes det med at den totale fluksen som passerer gjennom blokken, som vist i figuren ovenfor, er null. Det kan sies at den totale fluksen er null fordi det ikke er noen elektrisk ladning inne i blokken. Derfor, hvis det ikke er noen elektrisk ladning inne i en lukket overflate som en blokk, kube, kule eller annet objekt, er den totale fluksen null. Hva om det er en elektrisk ladning inne i den lukkede overflaten?

Anta at det er en elektrisk ladning i sentrum av kulen, som vist på figuren til høyre. De fire elektriske feltlinjene som er avbildet, representerer andre elektriske feltlinjer som beveger seg utover fra sentrum av kulen, vinkelrett på overflaten av kulen. Hver linje er vinkelrett på overflaten av kulen den passerer gjennom, og danner en vinkel på 0 ° med normallinjen som er vinkelrett på overflaten av kulen.

Elektrisk fluks i sfæren:

Formelen for elektrisk feltstyrke er E = kQ / r² og formelen for overflatearealet til en kule er A = 4πr², slik at fluksformelen endres til:

Elektrisk fluks 5

Hvis ladningen i sentrum av kulen er +2Q, er fluksen i kulen

Elektrisk fluks 6

Basert på formelen ovenfor konkluderes det med at hvis det er en elektrisk ladning inne i en lukket sfærisk overflate, så avhenger ikke fluksverdien i sfæren av diameteren eller radiusen til sfæren. Fluksverdien er 4πk ganger den totale elektriske ladningen inne i sfæren eller 1/εo ganger den totale elektriske ladningen inne i sfæren.

Elektrisk fluksenhet

Grunnformelen for fluks er Φ = EA, hvor E er den elektriske feltstyrken og A er overflatearealet. Enheten for elektrisk felt er Newton per Coulomb (N/C) og enheten for overflateareal er kvadratmeter (m² ) , så enheten for fluks er Newton kvadratmeter per Coulomb (Nm² / C).

 

Legg igjen en kommentar