Elektrik akısı ve Gauss yasası: yalıtkanlara uygulama
Akının ne olduğu, Gauss yasasının neden çalıştığı ve küre, sonsuz çizgi ve sonsuz levha için alanı integral almadan iki satırda bulmak.
Geçen hafta halka ve disk için uzun integraller aldın. Gauss yasası, simetri olan durumlarda o integrallerin hepsini iki satıra indirir. Sınavda üç tip soru gelir: verilen yüzeyden geçen akıyı hesapla, kapalı bir yüzeyden geçen net akıyı iç yükten bul, ve küre, çizgi ya da levha için alanı Gauss ile türet. Üçünün de anahtarı aynı: akı, yüzeyden geçen alan çizgisi miktarıdır ve kapalı bir yüzeyden çıkan net çizgi sayısı içerideki yüke bağlıdır.
Altın kurallar:
- Açı her zaman normalle ölçülür. Soru “yüzeyle 30°” diyorsa normalle 60°‘dir.
- Net akı sadece içerideki yüke bağlı. Dışarıdaki yük ne kadar büyük olursa olsun net akıya sıfır katkı verir.
- Gauss yüzeyini simetriye göre seç: küre için küre, çizgi için silindir, levha için kutu (pillbox).
- Yalıtkanın içinde alan sıfır değildir. Sadece ‘nin içinde kalan yükü say.
Elektrik akısı (electric flux)
Düzgün bir alan, alanı olan düz bir yüzeyden geçiyor. Akı:
alan vektörü (area vector): büyüklüğü yüzeyin alanı, yönü yüzeye dik (normal). , ile arasındaki açı.
| Durum | Akı | |
|---|---|---|
| Alan yüzeye dik (normale paralel) | 0° | (en büyük) |
| Alan yüzeye paralel | 90° | 0 |
| Alan normale zıt | 180° |
Alan düzgün değilse ya da yüzey eğriyse, yüzeyi küçük parçalara bölüp toplarsın:
Örnek 1. 0.20 m × 0.30 m’lik dikdörtgenden N/C düzgün alan geçiyor, alan normalle 30° yapıyor.
Kapalı yüzey (closed surface)
Kapalı bir yüzeyde (küre, küp, kutu) normal her zaman dışarı bakar. Bu yüzden dışarı çıkan çizgiler pozitif, içeri giren çizgiler negatif akı verir. Dışarıdan gelip içinden geçerek çıkan bir çizgi bir kere girer, bir kere çıkar: net katkısı sıfır. Net akıya katkı veren tek şey içeride başlayan ya da biten çizgilerdir, yani içerideki yük.
Gauss yasası (Gauss’s law)
, kapalı yüzeyin içindeki net yük (işaretiyle). .
Neden doğru? Nokta yük ‘yu yarıçapı olan bir küreyle sar. Alan her yerde yüzeye dik ve büyüklüğü . Akı . sadeleşti: kürenin büyüklüğü fark etmiyor. Şekli bozsan da aynı çizgiler geçer, sonuç aynı kalır.
Örnek 2. Kapalı bir yüzeyin içinde nC ve nC var, dışında nC.
Dışarıdaki nC hesaba girmez. Ama yüzey üzerindeki alanı değiştirir. Gauss yasası net akıyı söyler, her noktadaki alanı söylemez.
TUZAK · “Akı sıfır ise alan sıfırdır.” Yanlış. Düzgün bir alana konan boş bir küpte net akı sıfırdır ama her yüzde alan 0 değildir. Bir yüzden giren, karşı yüzden çıkar.
Örnek 3 (simetri ile akı). Kenarı 0.20 m olan küpün tam ortasında nC var. Bir yüzden geçen akı?
Altı yüz simetrik, her biri eşit pay alır:
Bir yüz üzerinde alan ne düzgün ne de dik. Doğrudan integral zor; simetri onu bedavaya getirir.
Gauss yasasıyla alan bulmak
Gauss yasası her zaman doğrudur ama alanı ondan çekebilmek için integralin içinden ‘yi dışarı alabilmen gerekir. Bunun için Gauss yüzeyini öyle seçersin ki yüzeyin her parçasında:
- yüzeye dik ve büyüklüğü sabit olsun (o zaman ), ya da
- yüzeye paralel olsun (o zaman o parçanın akısı 0).
Bu ancak üç simetride mümkün:
| Simetri | Gauss yüzeyi | Akı ifadesi |
|---|---|---|
| Küresel (nokta yük, küre) | Eş merkezli küre | |
| Silindirik (sonsuz çizgi, silindir) | Eş eksenli silindir | (kapaklar 0) |
| Düzlemsel (sonsuz levha) | Levhayı delen kutu | (yanlar 0) |
Düzgün yüklü yalıtkan küre
Yarıçap , toplam yük , hacim yoğunluğu .
Dışarıda (): Gauss küresinin içinde bütün yük var.
Dışarıdan bakınca küre, merkezindeki nokta yük gibidir.
İçeride (): Sadece yarıçapı olan kürenin içindeki yük sayılır:
Merkezde sıfır, ile doğrusal artar, yüzeyde ile en büyük değere ulaşır, sonra ile düşer.
Örnek 4. m, C düzgün dağılmış.
r = 0.05 m (içeride): E = kQr/R³ = (8.99e9)(6.0e-6)(0.05)/(0.10)³ = 2.70e6 N/C
r = 0.10 m (yüzeyde): E = kQ/R² = (8.99e9)(6.0e-6)/(0.10)² = 5.39e6 N/C
r = 0.20 m (dışarıda): E = kQ/r² = (8.99e9)(6.0e-6)/(0.20)² = 1.35e6 N/C
İçeride yarı yolda alan, yüzeydekinin yarısı. Dışarıda iki kat uzaklıkta, dörtte biri.
Sonsuz çizgi yükü (line of charge)
Yük yoğunluğu . Alan çizgiden radyal olarak dışarı (pozitifse). Yarıçapı , boyu olan silindir seç. Kapaklarda alan yüzeye paralel: akı 0. Yan yüzeyde alan dik ve sabit:
sadeleşti, olması gerektiği gibi. Alan ile düşer, ile değil.
Örnek 5. , m.
Aynı yöntem, yarıçapı olan düzgün yüklü silindirin içine uygulanınca () verir.
Sonsuz yalıtkan levha
Yüzey yoğunluğu . Levhayı delen, kesit alanı olan bir kutu (pillbox) seç. Yan yüzlerde alan paralel: akı 0. İki kapakta alan dik ve dışarı:
Geçen hafta disk formülünün limitinden bulduğumuz sonucun aynısı, ama integralsiz. İki zıt yüklü paralel levhada alanlar arada toplanır (), dışarıda birbirini götürür (0). Bu, kondansatör konusunun temelidir.
Gauss yasası ne zaman işe yaramaz?
Sonlu bir çubuk, bir halka ya da bir disk için Gauss yasası yine doğrudur, ama hiçbir yüzeyde hem sabit hem dik olmaz. İntegralin içinden ‘yi çıkaramazsın. Bu yüzden geçen haftanın integral yöntemi gerekiyordu. Sınavda “use Gauss’s law to find the field of a finite rod” gibi bir soru görürsen tuzak vardır: ya çubuk “very long” kabul edilecek ya da integral yöntemine döneceksin. Kural basit: önce simetriyi göster, sonra Gauss yüzeyini çiz.
İPUCU · Sonucu boyutla kontrol et. Nokta: . Çizgi: . Düzlem: ‘den bağımsız. Boyut sayısı arttıkça alan mesafeyle daha yavaş düşer.
Sık yapılan hatalar
| Yanlış düşünce | Doğrusu |
|---|---|
| alan ile yüzey arasındaki açı | alan ile yüzeyin normali arasında |
| Dışarıdaki yük net akıyı değiştirir | Sadece sayılır |
| Net akı sıfır ise her yerde | Giren ve çıkan eşit olabilir |
| Gauss yüzeyi büyüyünce akı büyür | Aynı için akı sabit |
| Yalıtkan kürenin içinde | ; sıfır olan iletkenin içi |
| Küre içinde | O formül bütün yükün içeride olduğunu varsayar |
| Sonsuz çizgide | |
| Yalıtkan levhada | Tek levha |
| Her yüzey için Gauss ile bulunur | Yasa her zaman doğru, ama ‘yi çekmek için simetri şart |
| Kubbeden geçen akı | Alan kubbeye dik değil; tabandan olarak hesapla |
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
A uniform electric field of magnitude 800 N/C passes through a flat surface of area 0.050 m². The field makes an angle of 30° with the plane of the surface. What is the electric flux through the surface?
- 34.6 N·m²/C
- 20.0 N·m²/C
- 40.0 N·m²/C
- 16.0 N·m²/C
- 0
Cevabı göster
, ama alan ile yüzeyin normali arasındaki açı.
Düzlemle 30° ise normalle . N·m²/C. 34.6: verilen açıyı doğrudan kullanan.
A closed surface encloses charges of nC and nC. A third charge of nC lies outside the surface. What is the net electric flux through the closed surface?
- +339 N·m²/C
- −339 N·m²/C
- +679 N·m²/C
- +1.24 × 10³ N·m²/C
- 0
Cevabı göster
Gauss: . Dışarıdaki yük sayılmaz. nC. N·m²/C. Negatif: net akı içeri.
A point charge of sits at the exact center of a cube. What is the electric flux through one face of the cube?
- 5.6 × 10⁵ N·m²/C
- 9.4 × 10⁴ N·m²/C
- 1.4 × 10⁵ N·m²/C
- 4.7 × 10⁴ N·m²/C
- It depends on the cube size
Cevabı göster
Toplam akı N·m²/C. Yük merkezde, altı yüz simetrik: N·m²/C.
Küpün boyutundan bağımsız. Yüzün üzerinde alan düzgün değil, ama simetri integrali gereksiz kılar.
A closed cube is placed in a uniform electric field. No charge is inside. Which statement is correct?
- The net flux is positive
- The net flux is negative
- The net flux is zero, but the field is zero on every face
- The net flux is zero, though flux through individual faces may be nonzero
- The flux depends on the orientation of the cube
Cevabı göster
İçeride yük yok, . Bir yüzden giren akı başka bir yüzden çıkar.
Net akının sıfır olması alanın sıfır olduğu anlamına gelmez.
A very long straight line of charge has . What is the magnitude of the electric field 0.10 m from the line?
- 1.8 × 10⁵ N/C
- 3.6 × 10⁵ N/C
- 3.6 × 10⁶ N/C
- 1.8 × 10⁶ N/C
- 7.2 × 10⁵ N/C
Cevabı göster
Silindirik Gauss yüzeyi: . N/C.: 2'yi unutan. : ile bölen (çizgide ).
An insulating solid sphere of radius 0.20 m carries a total charge of distributed uniformly through its volume. What is the field magnitude at 0.050 m from the center?
- 2.9 × 10⁷ N/C
- 1.8 × 10⁶ N/C
- 4.5 × 10⁵ N/C
- 0
- 1.1 × 10⁵ N/C
Cevabı göster
İçeride sadece 'nin içindeki yük sayılır: . Sonuç . N/C.: bütün yükü içeride sanan (). 0: yalıtkanı iletken sanan.
For a uniformly charged insulating sphere of radius , what is the ratio ?
- 1/2
- 1
- 2
- 4
- 1/8
Cevabı göster
İçeride: .
Dışarıda: .
Oran .
Two large parallel nonconducting sheets carry uniform charge densities and . What are the field magnitudes between the sheets and outside them?
- 1.1 × 10⁵ N/C between, 1.1 × 10⁵ N/C outside
- 2.3 × 10⁵ N/C between, 0 outside
- 0 between, 2.3 × 10⁵ N/C outside
- 2.3 × 10⁵ N/C between, 2.3 × 10⁵ N/C outside
- 4.5 × 10⁵ N/C between, 0 outside
Cevabı göster
Her levha tek başına verir. Arada iki alan aynı yönde: toplanır. Dışarıda zıt yönde: götürür.
Arada N/C, dışarıda 0.
A spherical Gaussian surface of radius 0.30 m is centered on a charge distribution with spherical symmetry. The field on the surface points radially outward with magnitude N/C. How much charge is enclosed? Give your answer in μC.
Cevabı göster
. C C. Alan dışa doğru olduğu için pozitif.
A very long insulating cylinder of radius 10 cm has a uniform volume charge density . What is the field magnitude at 4.0 cm from the axis?
- 4.5 × 10³ N/C
- 6.8 × 10³ N/C
- 1.4 × 10⁴ N/C
- 1.7 × 10⁴ N/C
- 0
Cevabı göster
Yarıçapı , boyu olan silindirik Gauss yüzeyi: .. N/C.: küredeki formülünü kullanan.
A hemisphere of radius 0.10 m sits with its flat base perpendicular to a uniform field of 600 N/C. What is the magnitude of the flux through the curved surface?
Cevabı göster
Yarım küre + düz taban kapalı bir yüzey ve içinde yük yok: net akı sıfır.
Tabandan giren akı, kubbeden çıkmak zorunda: . N·m²/C. Kubbenin alanını () kullanmak 37.7 verir ve yanlış: alan kubbeye her yerde dik değil.
A point charge is enclosed by a spherical Gaussian surface. If the radius of the surface is doubled, the net flux through it:
- doubles
- quadruples
- is halved
- is quartered
- stays the same
Cevabı göster
, sadece iç yüke bağlı. Alan azalır, alan büyür; çarpım değişmez.
Doğrulama: Tüm sayısal cevaplar node ile hesaplandı (verify/PHY1002/03.mjs): küp yüzü ve yarım küre akıları sayısal yüzey integraliyle, küre içindeki alan kabuklara bölünerek bulunan iç yükten Gauss yasasıyla yeniden hesaplanıp kapalı formüllerle karşılaştırıldı.