Gauss Yasası Nedir?

Gauss Yasası, alanı, yük dağılımının dışındaki bir yüzeyde haritalayarak kapalı bir yükün alanını hesaplamaya izin verir. Herhangi bir kapalı yüzeye uygulanan genel bir yasadır.

Gauss Yasası (Akı Teoremi): Formülü, Amacı ve Uygulanımı

Gauss Yasası Çözümlü Soru

Gauss yasası ile ilgili çözümlü örnek sorular aşağıdaki gibidir:

Soru (1): Aşağıdaki kürenin içindeki net elektrik yükünü bulun.

Çözüm: Gauss yasası tanımında net yük, istenen kapalı yüzey içindeki tüm yüklerin aritmetik toplamı anlamına gelir. 

Böylece, küre içindeki net yük:

=( + 1NC )+( - 2NC )= -1NC olur.

Soru(2): Küresel bir iletkenin yarıçapı 0,04 m'dir. Yüzeyde bir miktar yük, yüzey yük yoğunluğu ile eşit olarak dağıtılır. σ= 6,5 nC/m2. Bu iletkenin yüzeyindeki elektrik alanın gücü nedir?

Çözüm:

Gauss yasası bize elektrik alan gücünün kapalı yükün vakum geçirgenliğine bölünmesine eşit olduğunu söyler. Kürenin yüzeyinde (veya hemen üzerinde) bir Gauss yüzeyi almak, Gauss alanımıza küre ile aynı alanı verir. Yük miktarı, yüzeyin yük yoğunluğudur.

S = σ

E=S/ ε₀

E=σ/ ε₀

E= σ.ε₀= 6.5 ⋅10- 9/ 8.85 ⋅10-12= 734 NC

Soru(3):  Bir yüzeyin içinde 6 C, 5 C ve 3 C yüklü üç q1, q2 ve q3 yükü vardır. Yüzeyin çevrelediği toplam akıyı bulun.

Çözüm : Toplam yük Q,

Q = q1 + q2 + q3
= 6 C + 5 C + 3 C
= 14 C

Toplam akı, ϕ = Q/ϵ₀
ϕ = 14C / (8.854×10−12  F/m)
ϕ = 1.584 Nm2 /C

Bu nedenle, yüzey tarafından çevrelenen toplam akı 1.584 Nm2 /C olur.

Gauss Yasası Formülü Nedir?

Gauss teoremine göre, kapalı bir yüzeydeki toplam yük, yüzeyin çevrelediği toplam akı ile orantılıdır. Bu nedenle, ϕ toplam akı ve ϵ₀ elektrik sabiti ise, yüzey tarafından çevrelenen toplam elektrik yükü Q olmak üzere Gauss Yasası formülü aşağıdaki gibidir:

Q = ϕ ϵ₀ya da ϕ = Q/ϵ₀

Örnek: 3,5 cm yarıçaplı yarım küre toplam 6.6 x 10-6 C yük içerir. Yüzeyin yuvarlak kısmından geçen akı 9.8 x 104 C'dir. Yarım kürenin düz tabanından geçen akı nedir?
(ϵ₀ = 8.854 x 10-12)

Çözüm: Φ = ΦE,r +ΦE,b

Q= 6.6 x 10-6 ve ϵ₀ = 8.854 x 10-12 olmak üzere:

9.8 x 104 + ΦE,b = (6.6 x 10-7) / (8.854 x 10-12)

ΦE,b = -2.34 Nm2/C

Gauss Yasasının İntegral Formu Nedir?

Gauss yasası integral formda aşağıda verilmiştir:

∫V∇⋅edv= ∮Se⋅n.da= Q/ ε₀

E: elektrik alanı.

Q: kapalı elektrik yüküdür.

ε₀: boş alanın elektrik geçirgenliğidir.

n: dışa dönük birim-normaldir.

Akı, bir yüzeyden geçen bir alanın gücünün bir ölçüsüdür. Elektrik akısı genel olarak şu şekilde tanımlanır:

Φ= ∫Se⋅n.da

Elektrik alanını akı yoğunluğu olarak düşünebiliriz. Gauss yasası bize, herhangi bir kapalı yüzeyden geçen net elektrik akısının, o yüzey tarafından sınırlanan hacim net bir yük içermedikçe sıfır olduğunu söyler.

Elektromanyetik Teori ve Gauss Yasası İlişkisi Nasıldır?

Elektrik-manyetik alan denklemlerinde dört denklem bulunmaktadır. Bunlardan ikisi, eğer Gauss yasasında olan elektrik yüklerinden kaynaklanan elektrik alanları ve Gauss’un manyetizma yasasının manyetik tek kutuplularına bağlı olmadan alan çizgilerine yakın oluşan manyetik alan var ise, kaynağa göre uzay içinde bu alanların nasıl değiştiğini açıklamaktadır. Diğer iki tanesi de Faraday yasasındaki, zamanla değişen manyetik alanların etrafında dolaşan elektrik alanları sırasında Maxwell doğrulaması ile olan Ampere yasasındaki elektrik akımı ve zamanla değişen elektrik alanları etrafında dolaşan manyetik alanın oluşturmuş olduğu kişisel kaynakların çevresinde alanların nasıl dolandığını açıklamaktadır.

Maxwell eşitliğinin kesinliği, içerdiği büyüklüklerin ne kadar kesin tanımlandığına bağlıdır. Kurallar birim sistemine göre değişmektedir. Çünkü ışık hızı gibi boyutsuz çarpanlar tarafından emilerek çeşitli tanımları ve boyutları değişebilmektedir.

Varsayılan içerik şablonuElektrik Akısı ve Gauss Yasası İlişkisi Nedir?

Elektrik akısı (dFE), elektrik alanının akısıdır. Elektrik akısı, belirli bir alandan geçen elektrik alanının, alana dik bir düzlemde yüzey alanı ile çarpımı olarak ifade edilir. Bir yüzeyden geçen elektrik alan çizgilerinin sayısıyla doğru orantılıdır. Elektrik akısı ve Gauss yasası ilişkisi aşağıdaki gibidir:

Gauss yasasına göre kapalı bir yüzeyden geçen net elektrik akısı, yüzey alanından bağımsızdır.
Gauss yasasına göre elektrik akısı sadece alanın çevrelediği yükle orantılıdır.

Çok küçük bir dA alanındaki elektrik akısı dFE aşağıdaki gibidir:

dFE = E.dA

E, yüzeye dik olan elektrik alanıdır. Bir S yüzeyinden geçen elektrik akısı dA alanlarının toplanmasıyla elde edilir:

FE = ∫s E.dA

dA, büyüklüğü yüzeyin alanına eşit ve yönü yüzeye dik olan vektördür.

FE = E.A.cos(q)

q, yüzeyle elektrik alanı arasındaki açıdır.

dFE = ∮s E dA = QS / e₀

QS kapalı yüzeyin içinde kalan net yük, ε₀ boşluğun yalıtkanlık sabitidir. Bu yasa klasik elektromanyetizmayı açıklayan Maxwell denkleminden biridir.

Elektrik akımı elektrik akısından farklıdır.

Manyetizmada Gauss Yasası Nasıl Çalışır?

Manyetizma için Gauss yasası elektrik yükleriyle kıyas edilebilen manyetik yükün (manyetik tek kutuplu da denilir.) bulunmadığını ifade etmektedir. Maddeye göre manyetik alan, çift kutup denilen yapılardan oluşmuştur. Manyetik çift kutuplar en iyi akım döngüleri olarak tanımlanmaktadır, fakat net bir manyetik yüke sahip olmayan ayrılmaz bir şekilde birbirine bağlı olan pozitif ve negatif manyetik yüklere benzerler. Alan çizgilerine göre, bu eşitlik manyetik alan çizgilerinin ne başlayıp ne de bittiğini fakat döngü oluşturduğunu ya da sonsuzluğa ve geriye doğru genişlediğini belirtmektedir. Diğer bir deyişle, belirli bir hacim içine girmiş herhangi bir manyetik alan çizgisi, o hacmin herhangi bir yerinden çıkmak zorundadır. Herhangi bir Gauss yüzeyi boyunca toplam manyetik akının sıfır olduğu ya da manyetik alanın sarmal bobin gibi hareket eden alanların eşdeğer teknik açıklamalarıdır.

Hareketli Yüklerde Gauss Yasası Nasıl Çalışır?

Hareketli (iletken) bir yüzeye yakın elektrik alanın doğasını incelemek Gauss yasası için önemli bir uygulamadır. Yüzeye dik olarak yönlendirilmiş silindirik bir Gauss yüzeyi göz önüne alındığında, elektrik akısına tek katkının Gauss yüzeyinin üstünden geldiği görülebilir. İletkenin dengede olduğu gerçeği bu problemde önemli bir kısıtlamadır. Bu durum alanın yüzeye dik olduğunu gösterir, aksi takdirde yüzeye paralel bir kuvvet uygular ve yük hareketi oluşturur. Aynı şekilde, iletkenin iç kısmındaki alanın sıfır olduğunu da gösterir. Çünkü aksi halde şarj hareket halinde olacağından dengede bulunamayacaktır.