Katika mada ya Uga wa Umeme , tumejadili ufafanuzi na fomula ya uga wa umeme ambayo inaweza kutumika kuhesabu nguvu ya uga wa umeme inayozalishwa na chaji moja ya umeme, chaji kadhaa za umeme au kwa usambazaji wa chaji za umeme. Uhesabuji wa nguvu ya uga wa umeme inayozalishwa na chaji ya umeme au chaji mbili za umeme hutatuliwa kwa urahisi kwa kutumia fomula ya nguvu ya uga wa umeme. Ikiwa kinachohesabiwa ni nguvu ya uga wa umeme inayozalishwa na usambazaji wa chaji ya umeme, hesabu ni ngumu zaidi ikiwa unatumia fomula ya nguvu ya uga wa umeme lakini ni rahisi zaidi ikiwa unatumia sheria ya Gauss . Kabla ya kusoma sheria ya Gauss kwa undani, kwanza elewa mtiririko wa umeme kwa sababu dhana ya mtiririko wa umeme inatumika katika sheria ya Gauss.
Kuelewa Umeme wa Kuteleza
Neno flux linatokana na neno la Kilatini, fluere , ambalo linamaanisha kutiririka. Kihalisi, flux ya umeme inaweza kufafanuliwa kama mtiririko wa uwanja wa umeme. Neno mtiririko hapa halionyeshi uwanja wa umeme unaotiririka kama maji yanayotiririka, bali linaelezea uwepo wa uwanja wa umeme unaoelekea upande fulani. Katika mada ya Mistari ya Uwanja wa Umeme, ilielezwa kwamba uwanja wa umeme huonekana au kuonyeshwa kwa kutumia mistari ya uwanja wa umeme, kwa hivyo flux pia huonyeshwa kama mistari ya uwanja wa umeme. Kwa hivyo flux ni mistari ya uwanja wa umeme inayopita kwenye eneo fulani la uso, kama inavyoonyeshwa kwenye picha hapa chini.
Fomula
Kihisabati, mkondo wa umeme ni matokeo ya uwanja wa umeme (E), eneo la uso (A) na kosine ya pembe kati ya
mistari ya umeme yenye mistari ya kawaida iliyo wima kwenye uso.
Φ = EA cos θ …………. (Mlinganyo 1)
Ikiwa mistari ya uwanja wa umeme iko sawa na eneo la uso linalopita kama kwenye picha, basi pembe kati ya mistari ya uwanja wa umeme na mstari wa kawaida ni 0o, ambapo 0o = 1. Hivyo fomula
imebadilishwa kuwa:
Φ = EA cos 0o = EA (1)
Φ = EA …………. (Mlinganyo 2)
Kulingana na fomula ya mtiririko hapo juu, mambo kadhaa yanaweza kuhitimishwa. Kwanza , mtiririko huwa katika thamani yake ya juu zaidi wakati mstari wa uwanja wa umeme uko wima kwa eneo la uso kwa sababu katika hali hiyo pembe kati ya mstari wa uwanja wa umeme na mstari wa kawaida ni 0 o , ambapo thamani ya kosine ya 0 o ni 1. Pili , mtiririko huwa katika thamani yake ya chini kabisa wakati mstari wa uwanja wa umeme ukiwa sambamba na eneo la uso kwa sababu katika hali hiyo pembe kati ya mstari wa uwanja wa umeme na mstari wa kawaida ni 90 o , ambapo thamani ya kosine ya 90 o ni 0. Tatu , mtiririko hutegemea uwanja wa umeme (E) na eneo la uso (A). Mbali na eneo la uso la mstatili kama ilivyo katika mfano hapo juu, eneo la uso linaweza pia kuwa duara na mengineyo.
Uso Uliofunikwa
Mtiririko wa umeme ulioelezwa hapo awali ulitumia mfano wa uso ulio wazi (eneo la uso la mraba au mstatili). Vipi kuhusu mtiririko kwenye uso uliofungwa kama vile mchemraba, kizuizi, au tufe? Tuseme kuna mistari ya uwanja wa umeme inayopita kwenye kizuizi, kama ilivyo kwenye mchoro ulio hapa chini.
Mistari ya umeme yenye rangi ya bluu inaendana na nyuso za juu na chini za boriti ili kuunda pembe ya 90o na mistari ya kawaida ya nyuso za juu na za chini. Hivyo mtiririko kwenye nyuso za juu na za chini za boriti ni Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Mistari ya uwanja wa umeme yenye rangi ya njano inalingana na nyuso za upande wa kulia na kushoto wa boriti ili kuunda pembe 90o na mistari ya kawaida ya nyuso za upande wa kushoto na kulia. Hivyo mtiririko kwenye nyuso za upande wa kulia na kushoto wa kizuizi ni Φ = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Mistari ya uwanja wa umeme yenye rangi nyekundu ni ya pembeni kwa nyuso za mbele na nyuma za kizuizi, na kutengeneza pembe ya 0o na mistari ya kawaida ya nyuso za mbele na nyuma. Hivyo mtiririko ni Φ = EA cos 0o = EA (1) = EA A.
Katika picha hapo juu, mistari nyekundu ya uwanja wa umeme inaonekana ikiingia kwenye kizuizi na kisha ikitoka kwenye kizuizi. Mistari ya uwanja wa umeme inapoingia kwenye kizuizi kana kwamba kuna chaji hasi kwenye kizuizi, mtiririko ni hasi. Kinyume chake, mistari ya uwanja wa umeme inapotoka kwenye kizuizi kana kwamba kuna chaji chanya kwenye kizuizi, mtiririko wa umeme ni chanya. Kiubora au bila hesabu, ikiwa idadi ya mistari ya uwanja wa umeme inayoingia kwenye kizuizi ni sawa na idadi ya mistari ya uwanja wa umeme inayotoka kwenye kizuizi, mtiririko unaotokana ni sifuri. Kwa kiasi au kwa kutumia hesabu, mtiririko wa umeme unaotokana unaopita kwenye kizuizi huhesabiwa kama ifuatavyo: mtiririko unaoingia = Φ 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA na mtiririko unaotoka = Φ 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = +E A. Mtiririko jumla ni Φ = -Φ 1 + Φ 2 = -EA + EA = 0.
Kulingana na hesabu zilizo hapo juu, imehitimishwa kwamba jumla ya mtiririko unaopita kwenye kizuizi, kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro hapo juu, ni sifuri. Inaweza kusemwa kwamba jumla ya mtiririko ni sifuri kwa sababu hakuna chaji ya umeme ndani ya kizuizi. Kwa hivyo, ikiwa hakuna chaji ya umeme ndani ya uso uliofungwa kama vile kizuizi, mchemraba, tufe, au kitu kingine, jumla ya mtiririko ni sifuri. Vipi ikiwa kuna chaji ya umeme ndani ya uso uliofungwa?
Tuseme kuna chaji ya umeme katikati ya tufe kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro upande wa kulia. Mistari minne ya uwanja wa umeme inayoonyeshwa inawakilisha mistari mingine ya uwanja wa umeme inayosogea nje kutoka katikati ya tufe ikiwa imesimama wima hadi kwenye uso wa tufe. Kila mstari ni mkabala na uso wa tufe unaopita, na kutengeneza pembe ya 0 ° huku mstari wa kawaida ukiwa mkabala na uso wa tufe.
Mtiririko wa umeme katika tufe:
Fomula ya nguvu ya uwanja wa umeme ni E = k Q / r 2 na fomula ya eneo la uso wa tufe ni A = 4 π r 2 ili fomula ya mtiririko ibadilike kuwa:
![]()
Ikiwa chaji katikati ya tufe ni +2Q basi mtiririko katika tufe ni
![]()
Kulingana na fomula hapo juu, imehitimishwa kwamba ikiwa kuna chaji ya umeme ndani ya uso wa duara uliofungwa, basi thamani ya mkondo katika duara haitegemei kipenyo au radius ya duara. Thamani ya mkondo ni mara 4πk ya jumla ya chaji ya umeme ndani ya duara au mara 1/ε o ya jumla ya chaji ya umeme ndani ya duara.
Kitengo cha Kuteleza kwa Umeme
Fomula ya msingi ya mtiririko ni Φ = EA, ambapo E ni nguvu ya uwanja wa umeme na A ni eneo la uso. Kitengo cha uwanja wa umeme ni Newton kwa Coulomb (N/C) na kitengo cha eneo la uso ni mita ya mraba (m 2 ) kwa hivyo kitengo cha mtiririko ni mita ya mraba ya Newton kwa Coulomb (Nm 2 /C).