Gaussov zakon

Članek o Gaussovem zakonu

Kar zadeva Coulombov zakon, je bila preučena sila med električnimi naboji. V pregledu električnega polja je bila obravnavana druga oblika Coulombovega zakona, ki je izražena z enačbo F = q E,

kjer je F električna sila, q električni naboj in E električno polje. Lahko rečemo, da je Coulombov zakon fizikalni zakon, ki pojasnjuje razmerje med električnim nabojem (q) in električnim poljem (E).

Gaussov zakon je še en fizikalni zakon, ki pojasnjuje razmerje med električnimi naboji in električnimi polji. Gaussov zakon je formuliral Carl Friedrich Gauss (1777–1855), nemški teoretični fizik in matematik.

Električno polje, ki ga ustvarja eden ali več električnih nabojev, je mogoče enostavno izračunati z uporabo Coulombovega zakona, vendar izračun postane bolj zapleten, če se določi električno polje, ki ga ustvari porazdelitev električnega naboja. Gaussov zakon ponuja bolj naraven način za določanje električnega polja, ki ga ustvari porazdelitev električnega naboja. Poleg tega, če je električno polje znano, lahko Gaussov zakon uporabimo za določitev porazdelitve električnih nabojev, ki ustvarjajo električno polje. V nadaljevanju sta pregledana koncept in enačba Gaussovega zakona.

Gaussov zakon 1Oglejte si pozitivni električni naboj v središču krogle, kot je prikazano na sliki ob strani. Če je polmer krogle R, potem je jakost električnega polja, ki jo ustvari naboj čez kroglo, E = k Q/R2 in površina krogle je A = 4π r2.

Glej tudi  Carnotov toplotni stroj in Carnotov cikel

Za vizualizacijo električnega polja so narisane silnice električnega polja, vendar so na sliki predstavljene le štiri silnice električnega polja. Električni naboj je pozitiven, zato so silnice električnega polja narisane iz središča krogle, kjer se nahaja električni naboj,

in vsaka črta električnega polja je pravokotna na površino krogle, ki gre skoznjo. Dlje ko smo od električnega naboja, manjše je električno polje, tako da je tudi razdalja med črtami električnega polja večja.

Električni tokovi, ki prodirajo skozi površino krogle, se izračunajo po naslednji formuli:

Gaussov zakon 2

F = električni tok, Q = električni naboj, k = 9 x 109 N m2/C2eo (vakuumska permitivnost) = 8.85 x 10-12 C2/N m2, π = 3.14.

Na podlagi te enačbe sklepamo, da je električni tok (F), ki poteka skozi sferično površino, sorazmeren s količino električnega naboja (Q) v njej in ni odvisen od polmera krogle (R).

Slika ob strani prikazuje štiri zaprte površine, na katerih je električni naboj Q. Prva površina je krožna, druga pa ima nepravilno obliko. Električni naboj je pozitiven, tako da so silnice električnega polja, ki jih predstavljajo štiri puščice, narisane iz naboja. Štiri silnice električnega polja potekajo skozi krožno površino, skozi te štiri črte pa potekajo tudi druge površine nepravilnih oblik.

Glej tudi  Uporaba Bernoullisovega principa in Bernoullisove enačbe

V pregledu električnega pretoka je navedeno, da je električni pretok linije električnega polja, ki prodirajo skozi določeno površino.

Gaussov zakon 3Linije električnega polja, ki prodirajo skozi štiri površine, so enake, tako da ima električni pretok na vseh štirih površinah enako velikost. Električni pretok, ki prodira skozi sferično površino, je Φ = Q/εo tako da ima električni tok, ki prodira skozi druge površine nepravilnih oblik, tudi enako velikost, in sicer Φ = Q/εo.

Na podlagi te razlage lahko sklepamo, da električni tok, ki prodira skozi zaprto površino, v kateri je električni naboj, ni odvisen od oblike površine in je njegova velikost Φ = 4πk Q = Q/εo.

Slika poleg prikazuje dva električna naboja, ki sta znotraj zaprte površine. Q1 in Q2 so pozitivni, tako da če so Gaussov zakon 4Narisano, vsak naboj ima linijo električnega polja, ki prodira iz notranjosti površine. Skupni električni pretok je skupno število linij električnega polja, ki prodirajo iz zaprte površine. Ker so linije električnega polja naboja Q1 so enakovredni električnemu pretoku Φ = Q1o in črte električnega polja naboja Q2

Glej tudi  Definicija kondenzatorja

so primerljivi z električnim pretokom Φ = Q2o, skupno število silnic električnega polja je enako Q1o + Q2o = 1 / εo (Q1 + Q2).

Na podlagi te razlage lahko sklepamo, da je skupni električni pretok 1/εo krat skupni električni naboj v zaprti površini. Ta trditev je Gaussov zakon. Matematično:

Φnet = 1/εo (Qneto) ———- Enačba Gaussovega zakona

Qnet je skupna količina električnega naboja, ki je znotraj zaprte površine. Če je električni naboj zunaj zaprte površine, se naboj ne upošteva pri izračunu, ker je električni pretok, ki ga ustvari, enak nič. Električni pretok je enak nič, ker črte električnega polja, ki prihajajo iz naboja, prodrejo skozi zaprto površino in nato spet izstopijo.

Zaprta površina Gaussovega zakona je namišljena površina, ki jo uporabimo za izračun električnega pretoka, ki ga povzroča električni naboj.

Gaussov zakon se lahko uporabi za določitev električnega polja, če je znana porazdelitev električnega naboja, ali pa se lahko uporabi tudi za določitev porazdelitve električnih nabojev, če je znano električno polje. Uporaba Gaussovega zakona za reševanje različnih vprašanj je pojasnjena v članku o uporabi Gaussovega zakona.

Pustite komentar