Ufafanuzi wa mtiririko wa umeme
Kuhusu uwanja wa umeme, imejadiliwa ufafanuzi na mlinganyo wa uwanja wa umeme ambao unaweza kutumika kuhesabu nguvu ya uwanja wa umeme inayozalishwa na chaji ya umeme, chaji kadhaa za umeme au kwa usambazaji wa chaji ya umeme. Hesabu ya nguvu ya uwanja wa umeme inayozalishwa na chaji ya umeme au chaji mbili za umeme hutatuliwa kwa urahisi kwa kutumia fomula ya nguvu ya uwanja wa umeme. Ikiwa kinachohesabiwa ni nguvu ya uwanja wa umeme inayozalishwa na usambazaji wa chaji ya umeme, hesabu ni ngumu zaidi ikiwa fomula ya nguvu ya uwanja wa umeme inatumika, lakini ni rahisi kutumia sheria ya Gauss . Kabla ya kusoma sheria ya Gauss kwa undani, kwanza elewa mtiririko huo wa umeme kwa sababu ya dhana ya mtiririko wa umeme unaotumika katika sheria ya Gauss.
Neno mkondo linatokana na neno la Kilatini, fluere, ambalo linamaanisha kutiririka. Mkondo wa umeme unaweza kufasiriwa kama mtiririko wa uwanja wa umeme. Neno mkondo hapa halionyeshi uwanja wa umeme unaotiririka kama maji yanayotiririka, lakini linaelezea kuwepo kwa uwanja wa umeme unaoelekea upande fulani. Kuhusu mistari ya uwanja wa umeme, imeelezwa kwamba uwanja wa umeme huonekana au kuchorwa kwa kutumia mistari ya uwanja wa umeme, na kwa hivyo fluksi za umeme pia huelezewa kama mistari ya uwanja wa umeme. Kwa hivyo mkondo wa umeme ni mstari wa uwanja wa umeme unaopita eneo maalum la uso, kama inavyoonyeshwa katika mchoro ulio hapa chini.
Mlinganyo wa mtiririko wa umeme
Kihisabati, mtiririko wa umeme ni matokeo ya uwanja wa umeme (E), eneo la uso (A) na kosine ya pembe kati ya mstari wa uwanja wa umeme na mstari wa kawaida ulio sawa na uso.
F = EA cos θ ………………. (Equation 1)
Ikiwa mistari ya uwanja wa umeme iko sawa na eneo la uso wanalopita kama ilivyo kwenye mchoro, basi pembe kati ya mstari wa uwanja wa umeme na mstari wa kawaida ni 0 o , ambapo cos 0 o = 1. Hivyo, fomula ya mtiririko wa umeme hubadilika kuwa:
F = EA kwa 0o = EA (1)
F = EA …………. (Mlinganyo 2)
Kulingana na fomula, mtiririko wa umeme hapo juu huhitimisha mambo kadhaa. Kwanza, mtiririko wa umeme ni wa juu zaidi wakati mstari wa uwanja wa umeme uko sawa na eneo la uso kwa sababu katika hali hii pembe kati ya mstari wa uwanja wa umeme na mstari wa kawaida ni 0o, ambapo cosine 0o ni 1. Pili, mtiririko wa umeme ni wa chini zaidi wakati mstari wa uwanja wa umeme unalingana na eneo la uso kwa sababu katika hali hii pembe kati ya mstari wa uwanja wa umeme na mstari wa kawaida ni 90o , ambapo cosine 90o ni 0. Tatu, mtiririko wa umeme hutegemea uwanja wa umeme (E) na eneo la uso (A). Mbali na eneo la uso lenye umbo la mraba kama ilivyo katika mfano hapo juu, eneo la uso linaweza pia kuwa la duara na mengineyo.
Mtiririko wa umeme kwenye uso uliofungwa
Chaji ya umeme iliyoelezwa hapo awali inatumia mfano wa uso ulio wazi (eneo la uso la mraba au mstatili). Je, umeme hutokaje kwenye nyuso zilizofungwa kama vile vijisehemu, mihimili, au mipira? Tuseme kuna mistari ya umeme inayopita kwenye boriti, kama inavyoonyeshwa hapa chini.
Mistari ya umeme iliyopakwa rangi ya bluu inaendana na nyuso za juu na za chini za boriti ili kuunda pembe ya 90o na mstari wa kawaida wa nyuso za juu na za chini. Hivyo, mtiririko wa umeme kwenye nyuso za juu na za chini za boriti ni F = EA cos 90o = EA (0) = 0.
Mistari ya uga wa umeme inayopewa rangi ya njano inalingana na nyuso za upande wa kulia na kushoto wa boriti ili kuunda pembe ya 90 o na mstari wa kawaida wa nyuso za upande wa kushoto na kulia. Kwa hivyo, mtiririko wa umeme upande wa kulia na kushoto wa boriti ni F = EA cos 90 o = EA (0) = 0.
Mistari ya umeme hupewa rangi nyekundu iliyonyooka kwenye nyuso za mbele na nyuma za boriti ili kuunda pembe ya 0 o na mstari wa kawaida wa nyuso za mbele na nyuma. Kwa hivyo, mtiririko wa umeme ni F = EA cos 0 o = EA (1) = E A.
Katika mchoro hapo juu, mistari nyekundu inayoonekana ya uwanja wa umeme husogea ndani ya boriti na kisha husogea nje ya boriti. Mistari ya uwanja wa umeme inaposogea ndani ya boriti kana kwamba kuna chaji hasi ndani ya boriti, mtiririko wa umeme ni hasi. Kinyume chake, mistari ya uwanja wa umeme inaposogea nje ya boriti kana kwamba kuna chaji chanya ndani ya boriti, mtiririko wa umeme ni chanya. Kiubora, ikiwa idadi ya mistari ya uwanja wa umeme inayoingia kwenye boriti ni sawa na idadi ya mistari ya uwanja wa umeme inayotoka kwenye boriti, mtiririko wa umeme unaotokana ni sifuri. Kiuwiano, mtiririko wa umeme unaotokana unaopita kwenye boriti huhesabiwa kwa njia ifuatayo: mtiririko wa umeme unaoingia = F 1 = – EA cos 0 o = – EA (1) = -EA na mtiririko wa umeme unaotoka = F 2 = + EA cos 0 o = + EA (1) = + E A. Mtiririko wa umeme jumla ni F = – F 1 + F 2 = -EA + EA = 0.
Kulingana na hesabu zilizo hapo juu, ilihitimishwa kuwa jumla ya mtiririko wa umeme unaopita kwenye boriti kama ilivyo kwenye mchoro hapo juu ni sifuri. Inaweza kusemwa kwamba jumla ya mtiririko wa umeme ni sifuri kwa sababu hakuna chaji ya umeme kwenye boriti. Kwa hivyo ikiwa hakuna chaji ya umeme kwenye uso uliofungwa kama vile mihimili, vijiti, tufe, n.k. jumla ya mtiririko wa umeme ni sifuri. Vipi ikiwa kuna chaji ya umeme kwenye uso uliofungwa?
Tuseme kuna chaji ya umeme katikati ya mpira, kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro ulio pembeni. Mistari minne ya uwanja wa umeme inaelezewa kama inayowakilisha mistari ya uwanja mwingine wa umeme unaotoka katikati ya tufe kwa mlalo hadi kwenye uso wa tufe. Kila mstari ni mlalo hadi kwenye uso wa mpira, ambapo huunda pembe ya 0o yenye mstari wa kawaida ulio wima kwenye uso wa mpira.
Mtiririko wa umeme kwenye mpira: Φ = E A.
Fomula ya nguvu ya uwanja wa umeme ni E = kq / r 2 , na mlinganyo wa eneo la uso wa tufe ni A = 4 pr 2 ili fomula ya mtiririko wa umeme ibadilike kuwa:
Ikiwa chaji katikati ya mpira ni + 2Q, basi mtiririko wa umeme kwenye mpira ni
Kulingana na fomula ya mtiririko wa umeme, imehitimishwa kwamba ikiwa kuna chaji ya umeme katika uso wa duara uliofungwa,
Thamani ya mtiririko wa umeme kwenye mpira haitegemei kipenyo au kipenyo cha mpira. Ukubwa wa mtiririko wa umeme ni mara 4πk ya jumla ya chaji ya umeme kwenye mpira, au mara 1/ε o ya jumla ya chaji ya umeme kwenye mpira.
Kitengo cha mtiririko wa umeme
Fomula ya msingi ya mtiririko wa umeme ni F = 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 ) hivyo kwamba kitengo cha mtiririko wa umeme ni mita ya mraba ya Newton kwa Coulomb (Nm 2 /C).
