Elektrik alanı hakkında makale
Elektrik yükü konusunda, aynı yüklü cisimlerin birbirini ittiği, zıt yüklü cisimlerin ise birbirini çektiği öğrenildi. Pozitif yüklü bir cisim negatif yüklü bir cisme yaklaştırıldığında, iki cisim birbirini çekerek birbirine doğru hareket eder. Tersine, pozitif yüklü bir cisim negatif yüklü bir cisme yaklaştırıldığında, iki cisim birbirini iterek birbirinden uzaklaşır. Coulomb yasası konusunda incelendiği üzere, elektrik yüklü cisimler, aralarında etki eden elektriksel bir kuvvet nedeniyle diğer elektrik yüklü cisimleri hızlandırabilir. Elektrik yüklü bir cismin diğer elektrik yüklü cisimler üzerinde uyguladığı elektriksel kuvvet, temassız etki edebilen bir kuvvete örnektir. Uzaktan etki edebilen bir diğer kuvvet örneği ise yerçekimi kuvvetidir . Yerçekimi kuvveti, kütleli bir cismin diğer kütleli cisimler üzerinde uyguladığı kuvvettir.
Sürtünme kuvveti , itme kuvveti, normal kuvvet, temas gerçekleştiğinde etkili oldukları için anlaşılması kolay kuvvetlere örneklerdir. Aksine, elektrik kuvveti, temas olmadan belirli bir mesafeden etki edebildiği için anlaşılması zor bir kuvvete örnektir. Belirli bir mesafeden etki edebilen elektrik kuvvetini anlamak için elektrik alanı kavramı ortaya çıkar. Elektrik alanı kavramı, İngiliz bilim insanı Michael Faraday (1791-1867) tarafından geliştirilmiştir.
Elektrik alanının (E) tanımı
Diyelim ki bir cam başlangıçta elektriksel olarak nötrdü. Bir bezle ovulduktan sonra, cam çubuk elektriksel olarak yüklenir. Cam çubuk elektriksel olarak yüklendiğinde, aynı zamanda camın etrafında bir elektrik alanı oluşur. Cam nötr hale gelirse, aynı anda elektrik alanı kaybolur. Dolayısıyla, bir E'nin varlığı, bir elektrik yükünün varlığından ayrılamaz. E, hava gibi bir madde türü veya elektromanyetik dalgalar gibi bir dalga türü değildir. E, bir elektrik yükü tarafından oluşturulan ve bir elektrik yükünün etrafındaki alanı etkileyen bir şeydir; diğer elektrik yükleri yalnızca E'nin etkisini hisseder.
Bir odada E olup olmadığını test etmek için, o alanda bir test yükü olduğu varsayılır. Test yükü, ürettiği elektrik alanı çok küçük olan ve bu nedenle ihmal edilebilen minimum bir yüktür (Q) . Bununla birlikte, test yükü diğer elektrik yükleri tarafından üretilen elektrik alanının etkisini hissedebilir. Test yükü sadece E olup olmadığını araştırmak için sunulmuştur. Eğer alanda E varsa,
Test edilen yükün elektriksel kuvvete maruz kalması gerekir; E yoksa, test edilen yük elektriksel kuvvete maruz kalmaz.
Yandaki şekle bakın.
Şekil 1'de, +q 1 yükü ve +q 2 yükü çevre uzayda bir E alanı oluşturur. +q o test yükü uzayda bir noktaya yerleştirildiğinde, +q o test yükü elektriksel kuvvete maruz kalır. F 1 , +q 1 yükünün +q o test yüküne uyguladığı elektrik kuvvetidir ve F 2 , +q 2 yükünün +q o test yüküne uyguladığı elektrik kuvvetidir . Şekil 2'de, test yükü kaldırıldığında, E alanı kalır ve o noktadan kaybolmaz. E 1 , +q 1 elektrik yükü tarafından üretilen bir elektrik alanıdır ve E 2 , +q 2 elektrik yükü tarafından üretilen bir E alanıdır.
Elektrik alanının büyüklüğü
Elektrik alanı (E), büyüklüğü ve yönü olan vektörel bir niceliktir. Bir E'nin büyüklüğü genellikle E şiddeti olarak adlandırılır. Bir noktadaki E şiddeti, o noktaya yerleştirilen pozitif bir test yüküne elektrik yükü tarafından uygulanan elektrik kuvvetinin, test yükünün büyüklüğüne bölünmesiyle tanımlanır.
E = elektrik alan şiddeti
F = elektrik kuvveti
q = test yükü
Elektrik kuvvetinin birimi Newton, elektrik yükünün birimi ise Coulomb'dur; dolayısıyla E'nin birimi Newton/Coulomb'dur ve N/C olarak kısaltılır.
Elektrik alanının yönü
Şekil 1a'da, pozitif bir elektrik yükü (+Q), pozitif test yükü (+q) üzerine elektriksel kuvvet (F) uygular; burada elektriksel kuvvetin yönü +Q yükünden uzaktır.
Şekil 1b'de, test yükü kaldırıldığında, bu noktada elektrik yükü Q'dan uzaklaşan yönde bir elektrik alanı (E) oluşur.
Şekil 2a'da, negatif bir elektrik yükü (-Q), pozitif bir test yüküne (+q) elektrik kuvveti uygular; burada elektrik kuvvetinin (F) yönü -Q yüküne yaklaşır.
Şekil 2b'de, test yükü kaldırıldığında, bu noktada yönü elektrik yükü -Q'ya yakın olan bir elektrik alanı (E) oluşur.
Yukarıdaki şekil ve açıklamaya dayanarak, elektrik alanının yönünün pozitif elektrik yükünden uzaklaştığı ve negatif elektrik yüküne yaklaştığı sonucuna varılabilir.
Elektrik alan çizgileri
Elektrik yükü tarafından üretilen E alanı , elektrik yükünün etrafındaki alanı etkiler ve bu alanın etkisi yalnızca diğer elektrik yükleri tarafından hissedilir. Bir elektrik yükü tarafından üretilen E alanının içinde başka bir elektrik yükü bulunduğunda, o elektrik yükü de elektrik kuvvetinin etkisini hisseder.
Makalede E hakkında anlatıldığı gibi, yukarıda açıklanan elektrik alanını zihinle kavrayabiliriz, ancak bu sadece zihinde hayal edilebilir. Bir E'yi görselleştirmek için elektrik alan çizgileri sunulur. Elektrik alan çizgileri, bir elektrik alanının varlığını göstermek için bir elektrik yükünün etrafına çizilen bir dizi çizgidir. Bir E'nin varlığını göstermeyi amaçladığı için, bu çizgiler ile E arasında bir bağlantı vardır. Başka bir deyişle, E'nin büyüklüğü ve yönü elektrik alan çizgileri çizilerek açıklanabilir.
Elektrik alan çizgilerinde yön ve elektrik alan şiddeti arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir:
Öncelikle, E'nin yönü pozitif yükten uzaklaşır ve negatif yüke yaklaşır. Dolayısıyla, elektrik alan çizgilerinin yönü de pozitif yükten uzaklaşır ve negatif yüke yaklaşır.
Pozitif yük negatif yüke bitişikse, elektrik alan çizgileri pozitif yükten negatif yüke doğru çizilir. Tersine, pozitif bir yük pozitif bir yüke bitişikse, elektrik alan çizgileri her iki pozitif yükten de dışarı doğru ve birbirlerinden uzaklaşacak şekilde çizilir.
İkinci olarak, elektrik alan şiddeti, elektrik alan çizgileri arasındaki mesafe ile temsil edilir. Elektrik alan çizgileri arasındaki mesafe ne kadar yakınsa, elektrik alan şiddeti o kadar yüksek olur; elektrik alan çizgileri arasındaki mesafe ne kadar uzaksa, elektrik alan şiddeti o kadar düşük olur.
Neden çizgiler arasındaki mesafe ne kadar yakınsa, elektrik alan şiddeti o kadar yüksek olur? Bunu anlamak için aşağıdaki açıklamaya bakalım. Kürenin merkezinde pozitif bir yük olduğunu ve elektrik alan çizgilerinin kürenin yüzeyinde çeşitli yönlere yayıldığını varsayalım. Elektrik alan çizgilerinin sayısı N ve kürenin yüzey alanı 4πr² ise , birim alan başına düşen çizgi sayısı veya çizgi yoğunluğu N / 4πr² olur . Bu formüle göre, aynı N için, r küçüldükçe çizgiler arasındaki mesafe daralır ve r büyüdükçe çizgiler arasındaki mesafe uzaklaşır.
Elektrik alan şiddeti formülü E = kq / r² ayrıca elektrik alan şiddetinin mesafenin karesiyle ters orantılı olduğunu da gösterir. Eğer r daha küçükse, elektrik alan şiddeti daha belirgin hale gelir ve eğer r daha belirgin hale gelirse, elektrik alan şiddeti azalır.
Yukarıdaki incelemeye dayanarak, r küçüldükçe (yüke yaklaştıkça) elektrik alan şiddetinin arttığı ve çizgiler arasındaki mesafenin de kısaldığı sonucuna varılabilir. Tersine, r büyüdükçe (yükten uzaklaştıkça), elektrik alan şiddeti azalır ve çizgiler arasındaki mesafe de uzar.
Üçüncüsü, E çizgilerinin sayısı elektrik alan şiddetiyle orantılıdır. Elektrik alan çizgilerinin sayısı ne kadar fazlaysa, elektrik alan şiddeti de o kadar yüksek olur. Elektrik alan çizgilerinin sayısı ne kadar azsa, elektrik alan şiddeti de o kadar düşük olur.
