Elektrik Alanı Nedir?

Elektrik alanların oluşumu elektrik yüklerine dayanır. Herhangi bir elektrik yüküne sahip nesne - bir atom altı parçacık veya büyük bir obje - etrafındaki uzayda elektrik alanı oluşturur. Elektrik alan, elektrostatik kuvvetin en temel ögelerinden biri olup evrende meydana gelen sayısız olayda çok büyük bir rol oynamaktadır. Elektrik alanın ne olduğunu kavrayabilmek için elektrik yüklerini daha iyi anlamamız gerekmektedir. Elektrik yükleriyle ilgili üç önemli özellik vardır:

1. Elektrik yüklerinin iki türü vardır: Bu iki yükün etkisi birbirini sıfırladığı için bunlara + (artı) ve - (eksi) adı verilmiştir.
2. Elektrik yükleri kuantizedir: Bir elektrik yükünün değerine e dersek, bir parçacık veya objenin alabileceği elektrik yük değeri "$a\times e$ " olur. "a" burada bir tam sayıdır. Bir parçacığın yükü 3e ya da -12e olabilir ama 3.534e ya da 1/3e olamaz.
3. Tıpkı enerji, kütle ve momentumun korunması gibi, elektrik yükleri de korunumludur. Bu cümleden kastımız şudur: Her an için evrendeki elektrik yük sayısı sabittir. Bu yasa sistemler için de doğrudur.

Şimdi elektrik yükleri hakkında biraz bilgi verdiğimize göre, yüklerin elektrik alanlar ile olan bağlantısına geçebiliriz.

Yiğit Ertan (Evrim Ağacı)

Bu sisteme bir göz atalım. Sistemdeki tüm parçacıklar aynı işaretli yüke sahip. Burada, çocukluğumuzdan beri bildiğimiz klasik cümle, yani "aynı yükler birbirini iter, zıt yükler birbirini çeker" cümlesi karşımıza çıkmaktadır. Eğer sadece iki parçacık varsa işimiz basittir, yüklere göre ya itme kuvveti ya da çekme kuvveti uygulanacaktır. Peki birden fazla parçacık varsa bunu nasıl belirleyebiliriz?

Bu durumda devreye Süperpozisyon ilkesi girer. Lineer sistemlerde iki veya daha fazla etkiyi toplayarak net etkiyi bulabiliriz. Bu tanımı örnek verdiğimiz sisteme uygularsak elektrostatik kuvvetleri toplamamız sonucu mavi küreye etki eden net kuvveti buluruz. Kuvvet vektörel bir büyüklük olduğu için toplamımız vektörel bir toplama olacaktır, yani toplama işleminden sonra net kuvveti bulduğumuzda elimizde hem bir büyüklük hem de bir yön olacaktır.

Slideplayer

Coulomb yasası bize iki yüklü parçacık arasındaki kuvveti verir. Bu formülü inceleyerek elektrik yükler hakkında biraz fikir sahibi olabiliriz. K sabit bir sayı, q₁ ve q₂ parçacıklarımızın yükleri ve d de bu iki parçacık arasındaki mesafedir. q₁ ve q₂ çarpımının büyük olması demek kuvvetin artması demektir. Buradan kuvvetin yüklerin büyüklüğü ile doğru orantılı olduğunu anlıyoruz. Kesrimizin paydasında ise d² ifadesi var. Yüklerin arasındaki mesafe 3 katına çıkarsa kuvvet 9 kat, 5 katına çıkarsa kuvvet 25 kat azalacaktır. Bunu kelimelerle ifade etmek istersek "kuvvet" uzaklığın karesi ile ters orantılıdır deriz.

Bu gördüğümüz formül iki parçacık içindi. Bu formülü çok parçacıklı sistemlere uyacak şekilde genelleştirebiliriz. Yukarıdaki mavi ve sarı kürelerin olduğu sisteme geri dönelim. Süperpozisyon ilkesine uyacak şekilde genelleştirme işlemimize başlayalım. Q - q₁ ve Q - q₂ sistemi için Coulomb yasasını ayrı ayrı yazıp kuvvetleri toplamalıyız:

Introduction to Electrodynamics 4th Edition

Gördüğümüz gibi parantezin içerisindeki tüm işlemlerde Q yükü ortak elemandır. Q'yu parantezden dışarı çıkartabiliriz. Q elemanını parantezden çıkardıktan sonra elimizde kalan ifade görseldeki 2.4 denklemidir ve bu denklem bize elektrik alanın matematiksel formülünü vermektedir. Denklemdeki "Σ" işaretinin ne anlama geldiğini açıklayalım. Bu işaret, yani "sigma" sembolü bize toplama yapmamız gerektiğini gösterir. 1'den n'ye kadar olan ifadelerin toplanması demektir. Bizim mavi ve sarı kürelerin olduğu sistemden örnek vermemiz gerekirse, n burada 2 olur çünkü 2 tane küremiz vardır. Peki tek bir yükün yaydığı elektrik alanı nasıl bulabiliriz? Tek yapmamız gereken n yerine 1 koymaktır, böylelikle yukarıdaki görselde 2.4 denklemindeki ifade aşağıdaki ifadeye dönüşür:

Quora

Elektrik alanın matematiksel formülünü ve elektrostatik kuvvet ile olan ilişkisini görmüş olduk. Elektrik alanları görsel olarak temsil etmek için iki yolumuz vardır. İki yöntem de aynı şeyi farklı yolla anlatır ve kendilerine göre avantajları vardır.

1. Vektör alanları olarak:
2. Alan çizgileri olarak:

Learnpick