I ämnet Elektriskt fält har vi diskuterat definitionen och formeln för elektriskt fält som kan användas för att beräkna den elektriska fältstyrkan som produceras av en elektrisk laddning, flera elektriska laddningar eller av en fördelning av elektriska laddningar. Beräkningen av den elektriska fältstyrkan som produceras av en elektrisk laddning eller två elektriska laddningar löses enkelt med hjälp av formeln för elektrisk fältstyrka. Om det som beräknas är den elektriska fältstyrkan som produceras av en elektrisk laddningsfördelning är beräkningen mer komplicerad om man använder formeln för elektrisk fältstyrka, men enklare om man använder Gauss lag . Innan vi studerar Gauss lag på djupet bör du först förstå elektriskt flöde eftersom begreppet elektriskt flöde används i Gauss lag.
Förstå elektriskt flöde
Ordet flux kommer från det latinska ordet * fluere* , vilket betyder att flöda. Bokstavligen kan elektriskt flöde definieras som flödet av ett elektriskt fält. Ordet flöde här indikerar inte ett elektriskt fält som flödar som rinnande vatten, utan beskriver snarare närvaron av ett elektriskt fält som pekar i en viss riktning. I ämnet om elektriska fältlinjer förklarades att elektriska fält visualiseras eller avbildas med hjälp av elektriska fältlinjer, därför avbildas flöde också som elektriska fältlinjer. Så flöde är de elektriska fältlinjer som passerar genom en viss yta, vilket exemplifieras i bilden nedan.
Formel
Matematiskt sett är elektriskt flöde produkten av det elektriska fältet (E), ytan (A) och cosinus för vinkeln mellan
elektriska fältlinjer med normallinjer vinkelräta mot ytan.
Φ = EA cos θ ……………. (Ekvation 1)
Om de elektriska fältlinjerna är vinkelräta mot ytan de passerar igenom, som på bilden, är vinkeln mellan de elektriska fältlinjerna och normallinjen 0.o, där cos 0o = 1. Således formeln
förvandlad till:
Φ = EA cos 0o = EA (1)
Φ = EA ……………. (Ekvation 2)
Baserat på flödesformeln ovan kan flera saker dras. För det första har flödet sitt maximala värde när den elektriska fältlinjen är vinkelrät mot ytan eftersom vinkeln mellan den elektriska fältlinjen och normallinjen i det tillståndet är 0 ° , där cosinusvärdet för 0 ° är 1. För det andra har flödet sitt minimala värde när den elektriska fältlinjen är parallell med ytan eftersom vinkeln mellan den elektriska fältlinjen och normallinjen i det tillståndet är 90 ° , där cosinusvärdet för 90 ° är 0. För det tredje beror flödet på det elektriska fältet (E) och ytan (A). Förutom den rektangulära ytan som i exemplet ovan kan ytan också vara sfärisk och andra.
Täckt yta
Det elektriska flödet som beskrivits tidigare använde exemplet med en öppen yta (en kvadratisk eller rektangulär yta). Hur är det med flödet på en sluten yta, såsom en kub, ett block eller en sfär? Anta att det finns elektriska fältlinjer som passerar genom blocket, som i figuren nedan.
De elektriska fältlinjerna, färgade blå, sammanfaller med strålens övre och nedre ytor och bildar en 90-graders vinkel.o med normallinjerna för de övre och nedre ytorna. Således är flödet på balkens övre och nedre ytor Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
De elektriska fältlinjerna, färgade gula, sammanfaller med strålens högra och vänstra sidoytor så att de bildar en 90-graders vinkel.o med normallinjerna på vänster och höger sidoytor. Således är flödet på blockets högra och vänstra sidoytor Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
De elektriska fältlinjerna, färgade röda, är vinkelräta mot blockets fram- och bakytor och bildar en vinkel på 0o med normallinjerna för fram- och bakytorna. Således är flödet Φ = EA cos 0o = EA (1) = E A.
I bilden ovan ses de röda elektriska fältlinjerna röra sig in i blocket och sedan ut ur blocket. När de elektriska fältlinjerna rör sig in i blocket som om det finns en negativ laddning i blocket, är flödet negativt. Omvänt, när de elektriska fältlinjerna rör sig ut ur blocket som om det finns en positiv laddning i blocket, är det elektriska flödet positivt. Kvalitativt eller utan beräkning, om antalet elektriska fältlinjer som kommer in i blocket är detsamma som antalet elektriska fältlinjer som lämnar blocket, är det resulterande flödet noll. Kvantitativt eller med hjälp av beräkningar beräknas det resulterande elektriska flödet som passerar genom blocket enligt följande: inkommande flöde = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA och utgående flöde = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = +EA A. Det totala flödet är Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.
Baserat på beräkningarna ovan kan man dra slutsatsen att det totala flödet som passerar genom blocket, som visas i figuren ovan, är noll. Man kan säga att det totala flödet är noll eftersom det inte finns någon elektrisk laddning inuti blocket. Om det därför inte finns någon elektrisk laddning inuti en sluten yta, såsom ett block, kub, sfär eller annat föremål, är det totala flödet noll. Tänk om det finns en elektrisk laddning inuti den slutna ytan?
Antag att det finns en elektrisk laddning i sfärens centrum, som visas i figuren till höger. De fyra avbildade elektriska fältlinjerna representerar andra elektriska fältlinjer som rör sig utåt från sfärens centrum vinkelrätt mot sfärens yta. Varje linje är vinkelrät mot ytan på den sfär den passerar igenom och bildar en vinkel på 0 ° med normallinjen som är vinkelrät mot sfärens yta.
Elektriskt flöde i sfären:
Formeln för elektrisk fältstyrka är E = kQ / r² och formeln för ytan av en sfär är A = 4πr² så att flödesformeln ändras till:
![]()
Om laddningen i sfärens centrum är +2Q så är flödet i sfären
![]()
Baserat på formeln ovan kan man dra slutsatsen att om det finns en elektrisk laddning inuti en sluten sfärisk yta, så beror inte flödesvärdet i sfären på sfärens diameter eller radie. Flödesvärdet är 4πk gånger den totala elektriska laddningen inuti sfären eller 1/εo gånger den totala elektriska laddningen inuti sfären.
Elektrisk flussenhet
Grundformeln för flöde är Φ = EA, där E är den elektriska fältstyrkan och A är ytan. Enheten för elektriskt fält är Newton per Coulomb (N/C) och enheten för ytarea är kvadratmeter (m² ) , så enheten för flöde är Newton kvadratmeter per Coulomb (Nm² / C).