Elektrostatik dengedeki iletkenler
İletkenin içinde alan neden sıfır, fazla yük neden yüzeyde toplanır, yüzeyin hemen dışındaki alan nedir ve eş merkezli küre-kabuk sorularında iç ve dış yüzey yükleri nasıl bulunur.
Geçen hafta Gauss yasasını yalıtkanlara uyguladın; alan yükün içinde de sıfırdan farklıydı. İletkenler farklı davranır, çünkü içlerinde serbest elektronlar (free electrons) var ve bu elektronlar bir kuvvet hissettiği sürece hareket eder. Sınavda bu konudan gelen soruların çoğu eş merkezli küre ve kabuk sorusudur: “iç yüzeyde ne kadar yük var, dış yüzeyde ne kadar, noktasında alan ne?” Dört özelliği bilen ve Gauss yüzeyini doğru yere koyan bu soruyu kaçırmaz.
Altın kurallar:
- İletkenin içinde . Dengedeki her iletken için, şekli ne olursa olsun.
- Fazla yük yüzeye gider. İletkenin içinde net yük olmaz.
- Yüzeyin hemen dışında alan yüzeye dik ve .
- Sivri yerde yük yoğun. , eğrilik yarıçapı küçük olan yerde büyüktür.
Elektrostatik denge (electrostatic equilibrium)
Bir iletkene yük koyduğunda ya da onu dış bir alana soktuğunda serbest elektronlar kısa bir süre (nanosaniyelerden çok daha kısa) hareket eder. Sonra durur. Artık içeride net bir yük hareketi yoktur: buna elektrostatik denge denir. Bu kısa sürede elektronlar öyle bir dağılım alır ki dört özellik birden sağlanır.
1. İçeride alan sıfır
Diyelim içeride bir noktada . O noktadaki serbest elektronlar kuvvetini hisseder ve hareket eder. Ama dengede hareket yok. Çelişki. Demek ki .
Dış bir alana konan metal levhayı düşün. Alan sağa doğru ise elektronlar sola kayar: sol yüzey negatif, sağ yüzey pozitif olur. Bu indüklenen yükler (induced charges) içeride sola doğru bir alan üretir. Elektronlar, bu alan dış alanı tam götürene kadar kaymaya devam eder.
2. Fazla yük yüzeyde
İletkenin içinde, yüzeyin hemen altından geçen bir Gauss yüzeyi çiz. Her noktasında , yani akı sıfır, yani . Bu Gauss yüzeyini yüzeye istediğin kadar yaklaştırabilirsin. Demek ki iletkenin bütün fazla yükü yüzeyin üzerinde.
3. Yüzeyin hemen dışında alan dik ve
Alanın yüzeye paralel bir bileşeni olsaydı, yüzeydeki elektronlar yüzey boyunca kayardı. Dengede kaymazlar, öyleyse alan yüzeye dik.
Büyüklük için yüzeyi delen küçük bir kutu (pillbox) seç. Kutunun içerideki kapağında (metalin içi). Yan yüzlerde alan paralel. Akı sadece dıştaki kapaktan:
Yalıtkan levhadaki ile karıştırma. Yalıtkan levhada alan iki yöne de çıkıyordu, kutunun iki kapağından akı vardı. İletkende içerisi sıfır, bütün akı tek kapaktan çıkar.
TUZAK · İki “levha” formülü. Yalıtkan yüklü levha: . İletken yüzeyinin hemen dışı: . Hangisinin sorulduğunu “nonconducting” ve “conducting” kelimelerinden anla.
4. Sivri yerde yük daha yoğun
Küresel bir iletkende simetri yüzünden her yerde aynı. Ama yumurta ya da armut gibi bir şekilde yük, eğrilik yarıçapının (radius of curvature) küçük olduğu sivri uçta toplanır. O bölgede büyük, dolayısıyla dışarıdaki alan da büyük. Bunun tam açıklaması potansiyel konusunda gelecek (iletken yüzeyi eş potansiyeldir). Şimdilik sonucu bil: paratonerler sivridir, yüksek gerilim hatlarında sivri uçlardan korona boşalması olur.
Örnek 1. Yarıçapı 0.10 m olan iletken küre C taşıyor.
σ = Q / (4πR²) = 4.0e-6 / (4π·0.010) = 3.18e-5 C/m²
E_yüzey = σ / ε0 = 3.18e-5 / 8.85e-12 = 3.60e6 N/C
Sağlama: kQ/R² = (8.99e9)(4.0e-6)/(0.10)² = 3.60e6 N/C ✓
İletken kürenin dışındaki alan, aynı yükü taşıyan nokta yükün alanıyla aynıdır. Fark içeride: iletkende 0, düzgün yalıtkanda .
Boşluklu iletkenler (cavity)
İletkenin içinde bir boşluk (cavity) olsun, boşlukta da yükü. Metalin içinden geçen ve boşluğu saran bir Gauss yüzeyi çiz. Metalde , yani bu yüzeyin içindeki net yük sıfır olmalı. Boşluktaki ‘yu sıfırlamak için boşluğun duvarında (iç yüzeyde) indüklenir.
İletkenin kendi toplam yükü ise korunum gereği dış yüzey:
Boşlukta yük yoksa iç yüzey yüksüzdür ve boşluktaki alan sıfırdır. Bu, elektrostatik perdeleme (electrostatic shielding): kapalı metal bir kutunun içi dış alanlardan korunur. Arabaya yıldırım düştüğünde içerideki insanların zarar görmemesi, asansörde telefonun çekmemesi ve hassas cihazların metal kutulara konması bu yüzden. Kutunun kafes olması da yeterlidir (Faraday kafesi, Faraday cage).
Eş merkezli küre ve kabuk soruları
Sınavın klasik sorusu. Yöntem her zaman aynı:
- Yüzeyleri listele: iç kürenin yüzeyi (), kabuğun iç yüzeyi (), kabuğun dış yüzeyi ().
- Kabuğun iç yüzeyi: metalin içinden Gauss yüzeyi geçir, şartından bul. Sonuç: iç kürenin yükünün eksi işaretlisi.
- Kabuğun dış yüzeyi: kabuğun toplam yükü eksi iç yüzey.
- Her bölgede alan: ; metalin içindeysen 0.
Örnek 2. Yarıçapı cm olan iletken küre C taşıyor. Etrafında iç yarıçapı cm, dış yarıçapı cm olan iletken kabuk var; kabuğun net yükü C.
Yüzey yükleri:
r = a (kürenin yüzeyi): +2.0 μC
r = b (kabuğun iç yüzeyi): −2.0 μC (metal içinde q_in = 0 olsun diye)
r = c (kabuğun dış yüzeyi): −5.0 − (−2.0) = −3.0 μC
Bölgeler:
r = 2 cm (iç kürenin metali): E = 0
r = 5 cm (boşluk, q_in = +2.0 μC):
E = (8.99e9)(2.0e-6)/(0.05)² = 7.19e6 N/C, dışarı
r = 7 cm (kabuğun metali): E = 0
r = 12 cm (dışarısı, q_in = +2.0 − 5.0 = −3.0 μC):
E = (8.99e9)(3.0e-6)/(0.12)² = 1.87e6 N/C, içeri
Dış yüzeyin yoğunluğu: σ_c = −3.0e-6 / (4π·0.09²) = −2.95e-5 C/m²
İPUCU · Kontrol. Metalin içine düşen her bölgede alanın sıfır çıkması gerekir. Sıfır çıkmıyorsa bir yüzeyin yükünü yanlış yazmışsındır.
İnce iletken plaka
Büyük, ince, yalıtılmış bir metal plakaya yükü verirsen yük iki yüze eşit dağılır (her yüz alanı ):
Örnek 3. , C: C/m², N/C. Aynı yük bir yalıtkan levhaya düzgün yayılsaydı (, ) sayısal olarak aynı sonuç çıkardı. Dışarıdaki alan aynıdır; fark iletkenin içinde ve yükün nerede oturduğundadır.
Gauss yasasının deneysel doğrulanması
Gauss yasası ile Coulomb’un ters kare yasası aynı şeyin iki yüzüdür. Ters kare yasası tam olarak olmasaydı, yüklü bir iletkenin içinde alan tam sıfır olmazdı ve yükün bir kısmı iç yüzeyde kalırdı. Bu yüzden ters kare yasası en hassas şekilde iletkenin içinde yük kalıp kalmadığını ölçerek test edilir.
Klasik deney, Faraday buz kovası deneyi (ice-pail experiment):
- Yüklü küçük bir metal top, yalıtılmış nötr bir metal kutuya dokundurmadan indirilir. Kutunun iç yüzeyinde , dış yüzeyinde indüklenir. Dış yüzeye bağlı bir elektroskop sapar.
- Top kutunun iç duvarına dokundurulur. Elektroskopun sapması değişmez.
- Top çıkarılır ve incelenir: üzerinde hiç yük kalmamıştır.
Topun bütün yükü kutuya geçmiş, ve tamamı dış yüzeye gitmiştir. Modern versiyonlarda iç kürede kalan yük o kadar hassas ölçülmüştür ki formundaki üssün 2’den sapması on üzeri eksi on altı mertebesinden daha küçük bulunmuştur.
Sık yapılan hatalar
| Yanlış düşünce | Doğrusu |
|---|---|
| Yüklü iletken kürenin içinde | O yalıtkan küre; iletkenin içinde |
| İletken yüzeyinin dışında | ; içeride alan yok, akı tek kapaktan çıkar |
| Kabuğun iç yüzeyi kabuğun toplam yükünü taşır | İç yüzey = boşluktaki yükün eksi işaretlisi |
| Dış yüzey yükü = kabuğun yükü | Dış yüzey = kabuğun toplamı − iç yüzey |
| Dışarıdaki alanı sadece kabuğun yüküyle hesaplamak | , Gauss yüzeyinin içindeki her şey |
| İletkenin her yerinde eşit | Sadece kürede; sivri uçta büyük |
| Plakadaki bütün yük tek yüzde | İki yüze eşit dağılır: |
| Metal kutu dış alanı biraz azaltır | Kapalı iletken içindeki boşlukta |
| Alan yüzeye eğik çıkabilir | Dengede alan iletken yüzeyine dik |
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
A solid copper sphere carries a net charge of and is in electrostatic equilibrium. What is the electric field at a point inside the copper, halfway between the center and the surface?
- kQ/R²
- kQ/(2R²)
- zero
- 4kQ/R²
- It depends on the material
Cevabı göster
Dengedeki bir iletkenin içinde . Sıfır olmasaydı serbest elektronlar hareket ederdi ve denge olmazdı., aynı yükü taşıyan yalıtkan kürenin o noktadaki alanı olurdu.
A point charge of is placed at the center of a cavity inside a thick metal shell. The shell carries a net charge of . What are the charges on the inner and outer surfaces of the shell?
- inner 0, outer +5.0 μC
- inner −3.0 μC, outer +8.0 μC
- inner +3.0 μC, outer +2.0 μC
- inner −3.0 μC, outer +5.0 μC
- inner +5.0 μC, outer +3.0 μC
Cevabı göster
Metalin içinden geçen Gauss yüzeyinde , yani : C.
Kabuğun toplam yükü korunur: C.
A conducting sphere of radius 15 cm carries nC. What is the magnitude of the electric field just outside its surface?
- 1.2 × 10³ N/C
- 2.4 × 10³ N/C
- 3.6 × 10² N/C
- 2.1 × 10⁻⁸ N/C
- zero
Cevabı göster
C/m². N/C. Aynı şey .: yalıtkan levhanın formülünü kullanan.
The electric field just outside the surface of a charged conductor is N/C, directed outward. What is the local surface charge density?
- +4.4 × 10⁻⁷ C/m²
- +8.9 × 10⁻⁷ C/m²
- −4.4 × 10⁻⁷ C/m²
- +5.6 × 10³ C/m²
- +2.2 × 10⁻⁷ C/m²
Cevabı göster
İletken yüzeyi hemen dışında . C/m². Alan dışarı: yük pozitif.: alan, yani yalıtkan levha formülünden geri giden.
A solid conducting sphere of radius 5.0 cm carries nC. It is surrounded by a concentric conducting shell with inner radius 10 cm and outer radius 15 cm, carrying a net charge of nC. What is the electric field at cm?
- 1.35 × 10³ N/C inward
- 899 N/C outward
- 449 N/C inward
- 449 N/C outward
- zero
Cevabı göster
cm'lik Gauss küresinin içinde bütün sistem var: nC. N/C. Net yük negatif: alan içe.: sadece kabuğun yükünü ( nC) sayan. 899: sadece iç küreyi sayan.
For the same system as the previous question (sphere of radius 5.0 cm with nC, shell from 10 cm to 15 cm with net nC), what is the field magnitude at cm? Also state its value at cm.
Cevabı göster
cm, iç küre ile kabuk arasındaki boşlukta. İçeride sadece nC var: N/C, dışarı. cm kabuğun metalinin içinde: dengedeki iletkenin içinde .
For the same system, what charge resides on the outer surface ( cm) of the shell?
- −6.0 nC
- −4.0 nC
- −2.0 nC
- +4.0 nC
- 0
Cevabı göster
Kabuğun iç yüzeyi, iç kürenin yükünü örter: nC.
Kabuğun toplamı nC olduğuna göre dış yüzey: nC.
Bu, cm'de bulduğumuz net nC ile tutarlı.
A charged, isolated conductor has the shape of an egg (one end more pointed than the other). Where is the surface charge density greatest?
- At the flatter, rounder end
- At the more pointed end
- It is uniform over the surface
- At the geometric center inside the conductor
- Along the widest part of the egg
Cevabı göster
Eğrilik yarıçapı küçük olan (sivri) bölgelerde ve dolayısıyla yüzeyin hemen dışındaki büyüktür.
Paratonerlerin sivri olmasının ve yüksek gerilimde sivri uçlardan kıvılcım çıkmasının sebebi bu.
Düzgün dağılım sadece küre için geçerli.
A large, thin, flat isolated metal plate has a face area of 0.50 m² (each side) and carries a net charge of . What is the field magnitude just outside the plate, near its center?
- 2.3 × 10⁵ N/C
- 4.5 × 10⁵ N/C
- 9.0 × 10⁵ N/C
- 1.1 × 10⁵ N/C
- zero
Cevabı göster
Yük iki yüze eşit dağılır: her yüzde C/m².
İletken yüzeyi dışında: N/C.: bütün yükü tek yüze koyan. : iletkene yalıtkan levha formülü uygulayan. İki hata aynı anda yapılırsa doğru sayı tesadüfen çıkar (), ama mantık yanlıştır.
A sensitive electronic device is placed inside a closed, uncharged metal box. A strong external electric field is then switched on. Inside the box (in the empty space around the device), the field is:
- equal to the external field
- twice the external field
- zero
- reversed relative to the external field
- equal to σ/ε0
Cevabı göster
Dış alan metal kutunun yüzeyinde yük indükler. İndüklenen yükün alanı, içeride dış alanı tamamen götürür. İçinde yük olmayan bir boşluk, iletkenle çevriliyse alan sıfır.
Buna elektrostatik perdeleme (electrostatic shielding) ya da Faraday kafesi denir.
A small charged metal ball is lowered into an uncharged, insulated metal can without touching it, and the can is closed. Then the ball is allowed to touch the inside of the can. How does the charge on the outer surface of the can change at the moment of contact?
- It doubles
- It becomes zero
- It does not change
- It reverses sign
- It becomes half
Cevabı göster
Top dokunmadan içerideyken: iç yüzeyde , dış yüzeyde indüklenir.
Dokununca topun 'su iç yüzeyin 'su ile nötrleşir. Dış yüzey yine taşır.
Bu Faraday buz kovası deneyi (ice-pail experiment): iletkene verilen bütün yükün dış yüzeye gittiğini ve iç yüzeyin yüksüz kaldığını gösterir. Gauss yasasının ve ters kare yasasının deneysel kanıtlarından biri.
A point charge of nC sits at the center of an uncharged spherical conducting shell with inner radius 20 cm and outer radius 25 cm. What is the surface charge density on the outer surface?
Cevabı göster
İç yüzey: nC (merkezdeki yükü örter). Kabuk nötr, dış yüzey: nC. C/m².
Kontrol: dışarıda cm'de N/C, içe doğru.
Doğrulama: Tüm sayısal cevaplar node ile hesaplandı (verify/PHY1002/04.mjs): eş merkezli sistemlerde her yüzeyin yükü korunum ve Gauss yasasından yazıldı, E(r) iç yük toplanarak her bölge için hesaplandı (metal içinde sıfır çıktığı kontrol edildi); yüzey yoğunlukları ve σ/ε0 değerleri kQ/R² ile karşılaştırıldı.