İçeriğe atla

Gauss yüzeyi

silindirik bir Gauss yüzeyi genellikle sonsuz bir uzunluktaki, düzlükteki, ideal teldeki elektrik yükünü hesaplamak için kullanılır.

Gauss yüzeyi, üç boyutlu uzayda içinden bir vektör alanın akısı geçen kapalı bir yüzeydir; genellikle elektrik alanı, yerçekim alanı ve manyetik alanı bulmak için kullanılır.[1] rastgele seçilmiş bu kapalı yüzey S = ∂V (üç boyutta sınırlandırılan V alanı) Gauss yasasıyla ilişkili alan (Gauss yasası, magnetizma için Gauss yasası ya da yerçekimi için Gauss yasası) için conjuction olarak bir yüzey integrali sergilenerek kullanılır. Elektrostatik alanın kaynağı olarak elektrik yükünün miktarı ya da yerçekimi alanını kaynağı olarak yerçekimi ağırlığını kapalı alanda hesaplamak için kullanılır. Maddesel olması için, elektrik alan bu metinde, alanın en sık bilinen yüzey şekli olarak tanımlandırıldı. Gauss yüzeyleri genellikle, yüzey integralinin simetrisini basitçe hesaplayabilmek için dikkatle seçildi. Bir Gauss yüzeyi, yüzey üzerindeki her noktanın elektrik alan bileşenleri için, sabit bir normal vektörüne doğru seçilmiş ise, hesaplama zor bir integral gerektirmeyecektir.

Genel Gauss Yüzeyleri

geçerli (solda) ve geçersiz(sağda) Gauss yüzeyleri. Sol: bu geçerli Gauss yüzeyleri, küre yüzeyi, torus yüzeyi ve küp yüzeyleridir ayrıca 3D bir hacmin etrafını tamamıyla kuşatırlar . Sağ: Bu yüzeyler Gauss yüzeyi olarak kullanılamazlar, örneğin disk yüzeyi, kare yüzeyi ve yarımküre yüzeyi ,ayrıca 3D bir hacmin etrafını tamamıyla kuşatamazlar (kırmızı) çizgiyle sınırlandırılmışlardır.

Gauss yüzeyinin kullanıldığı birçok hesaplama Gauss yasası kullanılarak başlar (elektrik için):[2]

Q(V) içinde bulunan elektrik yükü, V kapalı yüzeydir.

Bu ıraksaklık teoremi ve Coulomb yasasının birleşimi olan Gauss yasası'dır.

Küresel Yüzey

Küresel bir Gauss yüzeyi elektrik alanı ve aşağıdakilerden herhangi biri ile üretilen akıyı bulmak için kullanılır :[3]

  • noktasal bir yük
  • küresel kabuğa düzgün yayılmış bir yük
  • başka bir yük dağılımı küresel simetri

Küresel Gauss yüzeyi ortak merkezli yük dağılımı için seçilmiştir.

Örnek olarak, kalınlığı ihmal edilen eşit dağılımlı yükü Q ve yarıçapı R olan yüklü küresel bir kabuk S düşünelim. Yüklü kürenin merkezinden r kadar uzaklıkta a noktasında meydana gelen elektrik alanı E bulmak için Gauss yasasını kullanabiliriz. Yarıçapı r < R olan küresel Gauss yüzeyi için etrafı çevrili yük sıfırdır. Bu nedenle net akı sıfırdır ve ayrıca Gauss yüzeyi üzerindeki elektrik alanın büyüklüğü de sıfırdır. (Gauss yasasında QA = 0 olarak yazılır. QA Gauss yüzeyi tarafından kuşatılan yüktür.)

Aynı örnekle,daha büyük bir Gauss yüzeyi kullanılarak kabuğun dışında yarıçapı r > R,Gauss yasası sıfıra eşit olmayan bir elektrik alan ortaya koyacaktır. Bu aşağıdakilerle tanımlanır;

S küresel yüzeyinin dışındaki akı

Yarıçapı r olan kürenin yüzey alanı

tanımlar

Gauss yasası kullanarak akı

Son olarak, ΦE r konumundaki elektrik alanın E büyüklüğünü verir;

Bu önemsiz olmayan sonuç herhangi bir küresel yük dağılımının noktasal yük olarak rol oynadığını gösterir. Bu aslında Coulomb yasasının bir tanımıdır.

Silindirik Yüzey

Silindirik yüzey, aşağıdakilerden herhangi biri tarafından üretilen akıyı ve elektrik alanı bulabilmek için kullanılan bir Gauss yüzeyidir:[3]

  • aynı yükteki sonsuz bir uzunluğun
  • aynı yükteki sonsuz bir yüzeyin
  • aynı yükte sonsuz uzunluktaki bir silindirin

Örnek olarak, sonsuz çizgi yüküne yakın olan alan aşağıda verilmiştir. P noktası üzerinde yük yoğunluğuna (yük bölü birim uzunluk) λ sahip sonsuz çizgisinden r kadar uzaklıkta bir yük düşünelim. Silindir formunda kapalı bir yüzey hayal ettiğimizde, yüzeyin dönme ekseni yük hattıdır. Silindirin boyu h ise, silindiri kuşatan yük :

,

Burada q Gauss yüzeyini kuşatan yüktür. Şekilde a, b and c olarak gösterilen üç yüzey bulunmaktadır. diferansiyel vektör alanı dA, her bir yüzey üzerinde a, b and c.

Silindir formundaki kapalı alan merkezde bir elektrik hattına sahiptir ve üç yüzeylerin hepsi dA olarak gösterilir .

Bu üç parçanın birleşiminden geçen akı


a ve b yüzeyleri için, E ve dA dik olacaktır. c yüzeyi için, E ve dA paralel olacaktır, şekilde gösterildiği gibi.

Silindirin yüzey alanı

Bunu tanımlar

Gauss yasasına göre

ΦE için eşitlik sağlanır

Gauss kutusu

Aynı yük yoğunluğuyla sonsuz bir yük katmanından oluşan ya da sonlu kalınlıktaki yük levhasından oluşan elektrik alana karar vermek için çoğunlukla bu yüzey kullanılır. Bu kutu silindirik bir şekle sahiptir, üç bileşene sahipmiş gibi de düşünülebilir. Silindirin bir sonundaki diskin alanı πR²,diğer bir sonundaki diskin alanı da bu alana eşittir. Gauss yasası'na göre; yüzeyin bütün bileşenlerine doğru olan elektriksel akı kutuyu kuşatan yükle orantılıdır. Çünkü katmana yakın olan alan neredeyse sabittir.

Ayrıca bakınız

Kaynakça

  1. ^ Essential Principles of Physics, P.M. Whelan, M.J. Hodgeson, 2nd Edition, 1978, John Murray, ISBN 0-7195-3382-1
  2. ^ Introduction to electrodynamics By: Griffiths D.J
  3. ^ a b Physics for Scientists and Engineers - with Modern Physics (6th Edition), P. A. Tipler, G. Mosca, Freeman, 2008, ISBN 0-7167-8964-7
  • Purcell, Edward M. (1985). Electricity and Magnetism. McGraw-Hill. ISBN 0-07-004908-4. 
  • Jackson, John D. (1998). Classical Electrodynamics (3rd ed.). Wiley. ISBN 0-471-30932-X. 

Konuyla ilgili yayınlar

  • Electromagnetism (2nd Edition), I.S. Grant, W.R. Phillips, Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-0-471-92712-9

Dış bağlantılar

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Maxwell denklemleri</span>

Maxwell denklemleri Lorentz kuvveti yasası ile birlikte klasik elektrodinamik, klasik optik ve elektrik devrelerine kaynak oluşturan bir dizi kısmi türevli (diferansiyel) denklemlerden oluşur. Bu alanlar modern elektrik ve haberleşme teknolojilerinin temelini oluşturmaktadır. Maxwell denklemleri elektrik ve manyetik alanların birbirileri, yükler ve akımlar tarafından nasıl değiştirildiği ve üretildiğini açıklamaktadır. Bu denklemler sonra İskoç fizikçi ve matematikçi olan ve 1861-1862 yıllarında bu denklemlerin ilk biçimini yayımlayan James Clerk Maxwell' in ismi ile adlandırılmıştır.

Laplasyen , skaler bir alanının gradyanı alınarak elde edilen vektörün diverjansıdır. Fizikteki birçok diferansiyel denklem laplasyen içerir.

<span class="mw-page-title-main">Elektrik alanı</span>

Elektriksel alan, kıvıl alan, elektrik alan veya elektrik alanı, elektriksel yükü veya manyetik alanı çevreleyen uzayın bir özelliği olup, içerisinde bulunan yüklü nesnelere elektriksel güç aracılığı ile etki eder. Kavram fiziğe Michael Faraday tarafından kazandırılmıştır.

<span class="mw-page-title-main">Küresel koordinat sistemi</span>

Küresel koordinat sistemi, üç boyutlu uzayda nokta belirtmenin bir yoludur.

Elektriksel potansiyel enerji, bir "" Elektriksel yük'ünün Elektriksel alan içerisindeki konumuna bağlı olarak depoladığı bir potansiyel enerji çeşididir.

<span class="mw-page-title-main">Elektrostatik</span> durağan elektrik yüklerinin incelenmesi

Elektrostatik, duran veya çok yavaş hareket eden elektrik yüklerini inceleyen bir bilim dalıdır.

<span class="mw-page-title-main">Gauss yasası</span>

Fizikte Gauss'un akı teoremi olarak da bilinen Gauss yasası, elektrik yükünün ortaya çıkan elektrik alanına dağılımına ilişkilendiren matematiksel bir yasadır. Söz konusu yüzey küresel yüzey gibi bir hacmi çevreleyen kapalı bir yüzey olabilir.

<span class="mw-page-title-main">Fourier serisi</span>

Matematikte, Fourier serileri bir periyodik fonksiyonu basit dalgalı fonksiyonların toplamına çevirir.

Boşluğun empedansı elektromanyetikte başta anten hesapları olmak üzere çeşitli hesaplarda kullanılan bir sabittir. MKS sisteminde birimi ohm dur. (Ω).Tanımı;

<span class="mw-page-title-main">Elektromanyetik alan</span>

Elektromanyetik alan, Elektrik alanı'ndan ve Manyetik alan'dan meydana gelir.

Φ harfiyle gösterilen Manyetik akı, toplam manyetizmanın ölçüsüdür ve bu yönüyle elektrik yükün manyetik karşılığıdır. Manyetik akı yoğunluğu ise B harfiyle gösterilir ve birim kesit alandan geçen manyetik akı miktarının ölçüsüdür.

<span class="mw-page-title-main">Klasik elektromanyetizma</span>

Klasik elektromanyetizm, klasik elektromıknatıslık ya da klasik elektrodinamik teorik fiziğin elektrik akımı ve elektriksel yükler arasındaki kuvvetlerin sonuçlarını inceleyen dalıdır. kuantum mekaniksel etkilerin ihmal edilebilir derecede küçük olmasını sağlayacak kadar büyük ölçütlü sistemler için elektromanyetik fenomenlerin mükemmel bir açıklamasını sunar.

Matematikte, Poisson denklemi elektrostatik, makine mühendisliği ve teorik fizik'de geniş kullanım alanına sahip eliptik türdeki Kısmi diferansiyel denklemlerdir. Fransız matematikçi, geometrici ve fizikçi olan Siméon Denis Poisson'dan sonra isimlendirilmiştir. Poisson denklemi

Perdeleme, hareketli yük taşıyıcılarının varlığından ortaya çıkan elektrik alanının sönümünü ifade eder. Metaller ve yarıiletkenlerdeki iletim elektronları ve iyonize olmuş gazlar(klasik plazma) gibi yük taşıyıcı akışkanlarda gözlemlenir. Elektriksel olarak yüklenmiş parçacıklardan oluşan bir akışkanda, her çift parçacık Coulomb kuvveti ile etkileşir,

.

Görüntü yük yöntemi, elektrostatikte kullanılan bir soru çözüm tekniğidir. İsimlendirmenin kökeni problemdeki sınır koşullarını bazı sanal yükler ile değiştirme yönteminden gelir.

<span class="mw-page-title-main">Yer değiştirme akımı</span>

Elektromanyetizmada yer değiştirme akımı elektrik yer değiştirme alanının değişim oranıyla tanımlanan bir niceliktir. Yer değiştirme akımının birimi akım yoğunluğu cinsinden ifade edilir. Yer değiştirme akımı gerçek akımlar gibi manyetik alan üretir. Yer değiştirme akımı hareketli yüklerin yarattığı bir elektrik akımı değil; zamana bağlı olarak değişim gösteren elektrik alanıdır. Maddelerde, atomun içerisinde bulunan yüklerin küçük hareketlerinin de buna bir katkısı vardır ki buna dielektrik polarizasyon denir.

Elektromanyetik dalga denklemi, elektromanyetik dalgaların bir ortam boyunca ya da bir vakum ortamı içerisinde yayılmasını açıklayan, ikinci dereceden bir kısmi diferansiyel denklemdir. Denklemin, ya elektrik alanı E ya da manyetik alan B cinsinden yazılan homojen formu şöyledir:

<span class="mw-page-title-main">Elektrik akısı</span> elektrik alanının akısı

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:

Fizikte -ayrıca yer çekimi için Gauss akı teoremi olarak bilinen- Gauss yer çekimi yasası, Newton'un evrensel çekim yasasına temelde eşdeğer olan fizik yasasıdır. Her ne kadar Yer çekimi için Gauss yasası Newton'un yasasına denk olsa da, pek çok durumda Gauss yer çekimi yasası hesaplama yapmak için Newton'un yasasından çok daha basit ve uygundur.

<span class="mw-page-title-main">Magnetostatik</span>

Magnetostatik, Akımın sabit olduğu sistemlerdeki Manyetik alanlar üzerine çalışan bir alandır. Yüklerin sabit olduğu Elektrostatikin bir manyetik analoğudur. Mıknatıslanma, statik olmak zorunda değildir. Magnetostatik eşitlikleri, nanosaniyede ya da daha kısa sürede manyetik cereyanları tahmin etmek için kullanılabilir. Magnetostatik, akımlar sabit olmadığında bile yeterince iyi bir yaklaşımdır. Akımların sürekli değişmemesi gerekir. Magnetostatik, mikro manyetiğin çok kullanılan bir uygulamasıdır. Manyetik kayıt cihazları gibi.