Elektrik Alan

Coulomb yasası, iki yük arasında belirli bir mesafeden etkileşim yapan kuvvetleri açıklar. Bu problemi, elektrik alanı kavramını kullanarak iki farklı adıma ayırabilir ve tekrar formüle edebiliriz.

Tüm yüklerin statik "durağan" olduğu durumlarda, elektrik alanıyla ilgili, sanki Coulomb yasasını kullanarak ulaşılmış gibi, aynı sonuçlara ulaşırsınız. Peki, bu bizim için akıllı gösterimle yapılmış herhangi bir alıştırma mı olacak? Hayır. Elektrik alanı kavramı, yükler birbirlerine göre hareket etmeye başladığı zaman kendini gösterir. Deneylerin gösterdiği üzere, elektrik alanını sonlu bir hızda (ışık hızı) yayılmakta olan uzayın bir özelliği olarak kabul ettiğimizde, bağıl olarak hareket eden yükler üzerindeki kuvvetleri açıklayabiliriz. Elektrik alanı kavramı, ışık gibi kendi kendine yayılan elektromanyetik dalgaların anlaşılabilmesi için de önemlidir. Elektrik alanı kavramı, yıldızların ışıklarının gözlerimize ulaşana kadar uzay boşluğundaki büyük mesafeleri nasıl katettiğini açıklama imkanı verir.

Coulomb yasasına göre, kuvvetin "belirli bir mesafeden etkileşim yapması" fikri sıkıntılı gözüküyorsa, kuvvetin elektrik alanı tarafından uygulandığının fikri rahatsızlığınızı biraz olsun azaltabilir. Diğer taraftan elektrik alanlarının gerçek olup olmadığını da sorabilirsiniz. Elektrik alanının gerçekten var olup olmadığı filozofların konusudur. Ancak, gerçek veya değil elektrik alanı kavramı yüke ne olduğunun açıklanmasında çok kullanışlıdır.

Elektrik alanını, kavramı daha kolay açıklayabilmek ve analiz metodu üzerinde alıştırma yapabilmek amacıyla öncelikle statik yükler ile açıklarız.

Elektrik alanı $\vec E$E, with, vector, on top uzayın her noktasında bulunan vektörel bir miktardır. Herhangi bir konumdaki elektrik alanı, eğer o noktaya artı bir yük konumlandırılsa, o yüke uygulanacak olan kuvveti göstermektedir.

Elektrik alanı ile herhangi bir $q$q yüküne etki eden elektrik kuvveti arasındaki ilişki aşağıda verilen formül ile kurulur.

Elektrik alanının birimi newton/coulomb'dur: $\text{N/C}$start text, N, slash, C, end text.

Elektrik kuvvetini, elektrik alanı cinsinden ifade edebiliriz.

Artı yüklü bir $q$q için, elektrik alanı vektörü elektrik kuvveti vektörü ile aynı yönde olur.

Elektrik alanı formülü Coulomb yasasıyla benzerlik göstermektedir. Coulomb yasası formülünün payındaki $q$q'lardan birisine test yükü görevini verirsek, paydaki diğer yük(ler) ($q_i$q, start subscript, i, end subscript) incelemek istediğimiz elektrik alanını oluşturur.

Burada $\,\hat{r_i}$r, start subscript, i, end subscript, with, hat, on top, her bir $q_i$q, start subscript, i, end subscript ve $q$q arasındaki hattı ifade eden birim vektörlerdir.

Elektrik alanı normalize edilmiş elektrik kuvvetidir. Elektrik alanı, $+1$plus, 1 değerine sahip bir test yüküne uygulanan kuvvettir.

Elektrik alanını görselleştirmenin bir yolu da şudur (zihnimde kurduğum model): Küçük ve artı yüklü bir test yükünün, hayali bir çubuğun (çubuğunuzun iletken olmadığından emin olun, tahta veya plastik gibi) ucuna yapıştırıldığını düşünün. Test yükünüzü farklı konumlarda tutarak elektrik alanı içinde gezinin. Test yükü, etrafındaki yük tarafından itilecek veya çekilecektir. Test yüküne uygulanan kuvvetin (hem büyüklük hem de yön olarak) test yükünün değerine bölümü, o konumdaki elektrik alanı vektörüne eşittir. Test yükünü uzaklaştırsanız bile, o konumda hâlâ elektrik yükü olacaktır.

İzole edilmiş bir yükün $q_i$q, start subscript, i, end subscript etrafındaki elektrik alanı aşağıdaki formül ile verilir.

Elektrik alanının yönü, artı yüklü noktadan çıkıp eksi yüklü noktaya doğru gider. Elektrik alanının büyüklüğü, yüklü noktadan uzaklaştıkça $1/r^2$1, slash, r, squared ile azalır.

Dağınık durumda duran birden fazla yükümüz olduğunda, elektrik alanını her bir yükün $q_i$q, start subscript, i, end subscript alanlarını toplayarak ifade ederiz.

Toplama işlemi, vektörel toplama şeklinde yapılır.

Yükler sürekli dağıtılmış şekilde duruyorsa, toplama işlemi yerine integral alınır.

Burada $r$r, $\text dq$start text, d, end text, q ile ilgili konum arasındaki mesafedir. $\hat r$r, with, hat, on top ise bize kuvvetin yönünün, $\text dq$start text, d, end text, q ile ilgili konum arasında doğru bir hat üzerinde olduğunu hatırlatmaktadır. Bu integralin örneklerini ilerideki makalelerde göreceğiz.

Yukarıdaki ifadeler elektrik alanını açıklamaktadır. Bunlar yeni fizik bilgileri değil, sadece bazı yeni terimlerin tanımlanmasıdır. Şimdi yolumuza devam edip, elektrik alanı formülasyonunu gerçek dünyada sık rastlanan iki geometriyi analiz etmek için kullanacağız: yükün doğrusu ve yükün düzlemi.