Električni tok

Pri temi Električno polje smo obravnavali definicijo in formulo za električno polje, ki jo lahko uporabimo za izračun jakosti električnega polja, ki jo ustvari en električni naboj, več električnih nabojev ali porazdelitev električnih nabojev. Izračun jakosti električnega polja, ki jo ustvari en ali dva električna naboja, je enostavno rešiti s formulo za jakost električnega polja. Če se izračuna jakost električnega polja, ki jo povzroči porazdelitev električnega naboja, je izračun bolj zapleten z uporabo formule za jakost električnega polja, vendar je lažji z uporabo Gaussovega zakona . Preden se podrobneje lotimo Gaussovega zakona, najprej razumimo električni pretok, saj se koncept električnega pretoka uporablja v Gaussovem zakonu.

Razumevanje električnega pretoka

Beseda fluks izhaja iz latinske besede fluere , ki pomeni teči. Dobesedno lahko električni fluks opredelimo kot pretok električnega polja. Beseda tok tukaj ne pomeni električnega polja, ki teče kot tekoča voda, temveč opisuje prisotnost električnega polja, ki kaže v določeno smer. V temi o linijah električnega polja je bilo pojasnjeno, da se električna polja vizualizirajo ali upodabljajo z linijami električnega polja, zato se tudi fluks upodablja kot linije električnega polja. Fluks so torej linije električnega polja, ki potekajo skozi določeno površino, kot je prikazano na spodnji sliki.

Formula 

Matematično je električni pretok produkt električnega polja (E), površine (A) in kosinusa kota med Električni tok 1silnice električnega polja z normalnimi črtami, pravokotnimi na površino.

Φ = EA cos θ ……………. (enačba 1)

Če so linije električnega polja pravokotne na površino, skozi katero potekajo, kot je prikazano na sliki, potem je kot med linijami električnega polja in normalo enak 0o, kjer je cos 0o = 1. Tako formula Električni tok 2preoblikovan v:

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

Na podlagi zgornje formule za fluks lahko sklepamo več stvari. Prvič , fluks ima največjo vrednost, ko je linija električnega polja pravokotna na površino, ker je v tem primeru kot med linijo električnega polja in normalo 0 ° , kjer je kosinus 0 ° enak 1. Drugič , fluks ima najmanjšo vrednost, ko je linija električnega polja vzporedna s površino, ker je v tem primeru kot med linijo električnega polja in normalo 90 ° , kjer je kosinus 90 ° enak 0. Tretjič , fluks je odvisen od električnega polja (E) in površine (A). Poleg pravokotne površine, kot v zgornjem primeru, je lahko površina tudi okrogla in druge oblike.

Pokrita površina

Električni tok, opisan prej, je bil uporabljen kot primer odprte površine (kvadratne ali pravokotne površine). Kaj pa tok na zaprti površini, kot je kocka, blok ali krogla? Predpostavimo, da skozi blok potekajo silnice električnega polja, kot je prikazano na spodnji sliki.
Modre črte električnega polja se ujemajo z zgornjo in spodnjo površino žarka in tvorijo kot 90°.o z normalami zgornje in spodnje površine. Tako je pretok na zgornji in spodnji površini žarka Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.

Električni tok 3Rumeno obarvane črte električnega polja se ujemajo z desno in levo stranjo žarka, tako da tvorijo kot 90°.o z normalami leve in desne stranske površine. Tako je tok na desni in levi stranski površini bloka Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Rdeče obarvane črte električnega polja so pravokotne na sprednjo in zadnjo površino bloka in tvorijo kot 0o z normalami sprednje in zadnje površine. Tako je pretok Φ = EA cos 0o = EA (1) = E A.

Na zgornji sliki je vidno, kako se rdeče silnice električnega polja premikajo v blok in nato iz bloka. Ko se silnice električnega polja premikajo v blok, kot da bi bil v bloku negativen naboj, je pretok negativen. Nasprotno, ko se silnice električnega polja premikajo iz bloka, kot da bi bil v bloku pozitiven naboj, je električni pretok pozitiven. Kvalitativno ali brez izračuna, če je število silnic električnega polja, ki vstopajo v blok, enako številu silnic električnega polja, ki izstopajo iz bloka, je nastali pretok nič. Kvantitativno ali z izračuni se nastali električni pretok, ki poteka skozi blok, izračuna na naslednji način: vhodni pretok = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA in izhodni pretok = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = +E A. Skupni pretok je Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.

Na podlagi zgornjih izračunov sklepamo, da je skupni pretok, ki poteka skozi blok, kot je prikazano na zgornji sliki, enak nič. Lahko rečemo, da je skupni pretok enak nič, ker v bloku ni električnega naboja. Če torej v zaprti površini, kot je blok, kocka, krogla ali drug predmet, ni električnega naboja, je skupni pretok enak nič. Kaj pa, če v zaprti površini obstaja električni naboj?

Predpostavimo, da je v središču krogle električni naboj, kot je prikazano na sliki na desni. Štiri prikazane črte električnega polja predstavljajo druge črte električnega polja, ki se gibljejo navzven od središča krogle pravokotno na površino krogle. Vsaka črta je pravokotna na površino krogle, skozi katero gre, in z normalo, ki je pravokotna na površino krogle, tvori kot 0 ° .

Električni pretok v krogli:

Formula za jakost električnega polja je E = kQ / r² , formula za površino krogle pa je A = 4π r² , tako da se formula za fluks spremeni v:

Električni tok 5

Če je naboj v središču krogle +2Q, potem je tok v krogli enak

Električni tok 6

Na podlagi zgornje formule sklepamo, da če je znotraj zaprte sferične površine električni naboj, potem vrednost fluksa v krogli ni odvisna od premera ali polmera krogle. Vrednost fluksa je 4πk-kratnik skupnega električnega naboja znotraj krogle ali 1/ε0- kratnik skupnega električnega naboja znotraj krogle.

Enota za električni tok

Osnovna formula za fluks je Φ = EA, kjer je E jakost električnega polja in A površina. Enota za električno polje je Newton na Coulomb (N/C), enota za površino pa kvadratni meter (m² ) , zato je enota za fluks Newton kvadratni meter na Coulomb (Nm² / C).

 

Pustite komentar