BÖLÜM 2. Gauss s Law. Copyright 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley

Transkript

1 BÖLÜM 2 Gauss s Law

2 Hedef Öğretiler Elektrik akı nedir? Gauss Kanunu ve Elektrik Akı Farklı yük dağılımları için Elektrik Alan hesaplamaları

3 Giriş Statik Elektrik, tabiatta birbirinden farklı veya aynı, iletken veya yalıtkan iki maddenin temas etmesi ve sonra ayrılması veya sürtünme işlemi sonucunda, bu iki cisim arasında pozitif ve negatif elektronların serbest bırakılması ve işaretlerinin değişmesi ile kendiliğinden oluşur. Statik yükün voltajı çok fazla olmasına karşın, akımı çok zayıftır. Maddeler birbirleriyle temas halinde olduğu sürece aralarında temas yüzeyi boyunca elektron transferi olur. İki maddenin temasının kesilmesi durumunda aralarındaki sınır tabakası ortadan kalkar ve maddelerden birinde negatif yük fazlalığı (negatif yüklenme) diğerinde ise elektron azlığı (pozitif yüklenme) meydana gelir. Oluşan bu iki ayrı yük birbirlerini çeker ve arada bulunan hava gibi yalıtkan olan bir ortam boyunca ark (kıvılcım) yaparak boşalır ve yük farklarını dengelerler.

4 Elektrik Akı Yük veya yükler kapalı bir hacim içerisine alındıklarında, bu kapalı alandan dışarı veya içeri doğru elektrik alan çizgileri düşünülebilir.

5 Yük veya kapalı hacim değiştirilirse ne olur? Yük +1 veya +2 ya da Kutu boyutu değiştirilirse; Elektrik alan çizgileri (elektrik akı) sayısı değişmez.

6 Elektrik alan çizgileri Elektrik alanını zihinde daha kolay canlandırmak için elektrik alan çizgileri kullanılır. Elektrik alan çizgilerinin özellikleri şunlardır: E elektrik alan vektörü, elektrik alan çizgisine her noktada teğettir. Alan çizgileri birbirine yakın olduğunda E büyük, uzak olduğunda küçüktür. Alan çizgileri bir artı yükten çıkıp bir eksi yükte son bulmalıdır. Alan çizgilerinin sayısı yük miktarıyla orantılıdır. İki alan çizgisi birbirini kesmez.

7 Elektrik Akı Elektrik akısı, elektrik alanının akısıdır. Elektrik akısı, bir yüzeyden geçen elektrik alan çizgilerinin sayısıyla doğru orantılıdır. Çok küçük bir da alanındaki elektrik akısı şu şekilde hesaplanır: Burada E yüzeye dik olan elektrik alanıdır. Bir S yüzeyinden geçen elektrik akısı da alanlarının toplanmasıyla elde edilir: da; büyüklüğü yüzeyin alanına eşit, yönüyse yüzeye dik olan vektördür. Elektrik alanı vektörüyle, da vektörü arasında skaler çarpım olduğundan manyetik akının büyüklüğüşu şekilde yazılır:

8 Elektrik Akı Elektrik Akı nasıl hesaplanır? 0

9 Elektrik Akı Elektrik akıyı hesaplayınız?

10 Kürede elektrik alan çizgileri

11 Gauss kanunu Gauss yasası, başlıca fizik (doğabilim) ve matematiksel çözümleme alanlarında kullanılır. Elektrik bağlamında, bu yasa kapalı bir yüzeyin dışına akan elektriksel akı ile, yüzey içerisinde kalan elektriksel yük arasındaki bağıntıyı tanımlar. Yüksek simetrili bölgelerde elektrik alan hesabı Gauss yüzeyi çizilerek yapılabilir. Yani problem sınırlanarak daha kolay bir biçimde çözülür. Örneğin küresel bir kabuk için Gauss yüzeyi çizilir veya sonsuz büyüklükte bir yük düzlemi için Gauss tableti çizilerek simetriye göre alan denklemi ifade edilir. Bu yöntemle karma sistemlerde elektrik alan hesabı daha kolaydır.

12 Flux through concentric spheres with different radii Consider the flux as changing the radius of the sphere changes its volume.

13 Yükün işaretine göre elektrik alan çizgileri nasıldır?

14 Gauss Kanunu bazı örnekler Küre

15 Gauss Kanunu bazı örnekler Silindir

16 Gauss Kanunu bazı örnekler Sonsuz yüzey

17 Homojen Yüklü Küresel Yalıtkan

18 Van de Graaff generator Van de Graaff jeneratörü hareket eden bir kayış yardımıyla içi boş bir kürede yüksek gerilim biriktirmeye yarayan bir elektrostatik jeneratördür yılında Amerikalı fizikçi Robert Jemison Van de Graaff tarafından icat edilen bu jeneratörde potansiyel farkı 5 megavolta kadar çıkabilir. Bu araç bir üreteç ve ona paralel bağlı bir kondansatör ile çok büyük bir elektriksel direnç olarak da düşünülebilir.

19 Faraday kafesi İletken teller ile ağ biçiminde kaplanmış ve topraklanmış her kafesle bu koruma gerçekleştirilebilir. Ağ gözü sıklığı ve topraklama kalitesi korumayı arttırır. Dışarıdaki elektrik alan içeri etki edemez, mesela yıldırımlar gibi statik elektrik boşalmaları iletkenlerden geçer ve içeri sıçramaz. Dış elektrik alanlar da içeri etki edemez. Kafes ağ gözü biçiminde yapılmış ise ağ gözlerinin ne kadar dar tutulursa o kadar iyi koruma sağlar ve benzer şekilde dış elektromanyetik alanları da dışarıdan içeriye ve içeriden dışarıya geçirmez. Daha dar ağ gözleri ile daha yüksek frekans elektromanyetik dalgalara karşı geçirmezlik sağlanabilir. Geniş ağ gözleri daha uzun dalga boylu (diğer bir deyişle daha düşük frekanslı) radyo dalgalarına karşı geçirmezlik sağlar. Kafesin işlerliği için iletkenlerin iyi topraklanmış olması gerekir.