V téme Elektrické pole sme preberali definíciu a vzorec pre elektrické pole, ktorý možno použiť na výpočet intenzity elektrického poľa vytvorenej jedným elektrickým nábojom, niekoľkými elektrickými nábojmi alebo rozložením elektrických nábojov. Výpočet intenzity elektrického poľa vytvorenej jedným alebo dvoma elektrickými nábojmi sa dá ľahko vyriešiť pomocou vzorca pre intenzitu elektrického poľa. Ak sa vypočíta intenzita elektrického poľa vytvorená rozložením elektrického náboja, výpočet je zložitejší pri použití vzorca pre intenzitu elektrického poľa, ale jednoduchší pri použití Gaussovho zákona . Pred hlbším štúdiom Gaussovho zákona je potrebné najprv pochopiť elektrický tok, pretože koncept elektrického toku sa používa v Gaussovom zákone.
Pochopenie elektrického toku
Slovo flux pochádza z latinského slova fluere , ktoré znamená tiecť. Doslovne možno elektrický flux definovať ako tok elektrického poľa. Slovo flow tu neoznačuje elektrické pole prúdiace ako tečúca voda, ale skôr opisuje prítomnosť elektrického poľa, ktoré smeruje určitým smerom. V téme o siločiarach elektrického poľa bolo vysvetlené, že elektrické polia sa vizualizujú alebo zobrazujú pomocou siločiar elektrického poľa, preto sa flux tiež zobrazuje ako siločiary elektrického poľa. Tok sú teda siločiary elektrického poľa, ktoré prechádzajú určitou povrchovou plochou, ako je znázornené na obrázku nižšie.
Vzorec
Matematicky je elektrický tok súčinom elektrického poľa (E), plochy povrchu (A) a kosínusu uhla medzi
siločiary elektrického poľa s normálami kolmými na povrch.
Φ = EA cos θ ……………. (Rovnica 1)
Ak sú čiary elektrického poľa kolmé na povrch, ktorým prechádzajú, ako je znázornené na obrázku, potom je uhol medzi čiarami elektrického poľa a kolmicou 0o, kde cos 0o = 1. Vzorec teda
premenené na:
Φ = EA cos 0o = EA (1)
Φ = EA ……………. (Rovnica 2)
Na základe vyššie uvedeného vzorca pre tok možno vyvodiť niekoľko záverov. Po prvé , tok má maximálnu hodnotu, keď je čiara elektrického poľa kolmá na povrch, pretože v tomto stave je uhol medzi čiarou elektrického poľa a normálou 0 ° , kde kosínusová hodnota 0 ° je 1. Po druhé , tok má minimálnu hodnotu, keď je čiara elektrického poľa rovnobežná s povrchom, pretože v tomto stave je uhol medzi čiarou elektrického poľa a normálou 90 ° , kde kosínusová hodnota 90 ° je 0. Po tretie , tok závisí od elektrického poľa (E) a povrchu (A). Okrem obdĺžnikového povrchu, ako v uvedenom príklade, môže byť povrch aj guľový a iné.
Krytý povrch
Elektrický tok opísaný vyššie použil príklad otvoreného povrchu (štvorcového alebo obdĺžnikového povrchu). A čo tok na uzavretom povrchu, ako je kocka, blok alebo guľa? Predpokladajme, že blokom prechádzajú čiary elektrického poľa, ako je znázornené na obrázku nižšie.
Modré siločiary elektrického poľa sa zhodujú s horným a dolným povrchom lúča a tvoria uhol 90 stupňov.o s normálami horného a dolného povrchu. Tok na hornom a dolnom povrchu lúča je teda Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Žlté siločiary elektrického poľa sa zhodujú s pravým a ľavým bočným povrchom lúča, takže zvierajú uhol 90 stupňov.o s normálami ľavej a pravej bočnej plochy. Tok na pravej a ľavej bočnej ploche bloku je teda Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Červeno sfarbené siločiary elektrického poľa sú kolmé na predný a zadný povrch bloku a zvierajú uhol 0o s normálami predného a zadného povrchu. Preto je tok Φ = EA cos 0o = EA (1) = E A.
Na obrázku vyššie je vidieť, ako sa červené siločiary elektrického poľa pohybujú do bloku a potom z bloku von. Keď sa siločiary elektrického poľa pohybujú do bloku, akoby v bloku bol záporný náboj, tok je záporný. Naopak, keď sa siločiary elektrického poľa pohybujú von z bloku, akoby v bloku bol kladný náboj, elektrický tok je kladný. Kvalitatívne alebo bez výpočtu, ak je počet siločiar elektrického poľa vstupujúcich do bloku rovnaký ako počet siločiar elektrického poľa opúšťajúcich blok, výsledný tok je nulový. Kvantitatívne alebo pomocou výpočtov sa výsledný elektrický tok prechádzajúci blokom vypočíta takto: prichádzajúci tok = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA a odchádzajúci tok = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = +E A. Celkový tok je Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.
Na základe vyššie uvedených výpočtov sa dospelo k záveru, že celkový tok prechádzajúci blokom, ako je znázornené na obrázku vyššie, je nulový. Dá sa povedať, že celkový tok je nulový, pretože v bloku nie je žiadny elektrický náboj. Preto, ak v uzavretom povrchu, ako je blok, kocka, guľa alebo iný objekt, nie je žiadny elektrický náboj, celkový tok je nulový. Čo ak v uzavretom povrchu je elektrický náboj?
Predpokladajme, že v strede gule je elektrický náboj, ako je znázornené na obrázku vpravo. Štyri zobrazené čiary elektrického poľa predstavujú ďalšie čiary elektrického poľa, ktoré sa pohybujú smerom von zo stredu gule kolmo na povrch gule. Každá čiara je kolmá na povrch gule, ktorou prechádza, a zviera s normálou kolmou na povrch gule uhol 0 ° .
Elektrický tok v guli:
Vzorec pre intenzitu elektrického poľa je E = kQ / r² a vzorec pre povrch gule je A = 4πr², takže vzorec pre tok sa zmení na:
![]()
Ak je náboj v strede gule +2Q, potom je tok v guli
![]()
Na základe vyššie uvedeného vzorca sa usudzuje, že ak je vo vnútri uzavretej guľovej plochy elektrický náboj, potom hodnota toku v guli nezávisí od priemeru ani polomeru gule. Hodnota toku je 4πk-krát celkový elektrický náboj vo vnútri gule alebo 1/ε0 - krát celkový elektrický náboj vo vnútri gule.
Jednotka elektrického toku
Základný vzorec pre tok je Φ = EA, kde E je sila elektrického poľa a A je plocha povrchu. Jednotkou elektrického poľa je Newton na Coulomb (N/C) a jednotkou plochy povrchu je meter štvorcový (m² ) , takže jednotka toku je Newton na meter štvorcový na Coulomb (Nm² / C).