İki yüklü parçacık boşlukta etkileşirken bir diğerinin orada olduğunu nasıl anlamaktadır? Aralarındaki boşlukta neler olur da etki birinden diğerine ulaşır?
Elektrik alan birim yük başına elektrik kuvveti olarak tanımlanır. Alan pozitif bir deneme yükü üzerine etkidiğinde alanın yönü kuvvetin yönü olarak alınır. Elektrik alan radyal olarak pozitif bir yükten dışarı doğrudur ve negatif bir yük için ise yükün kendisine doğrudur.
Yüklü bir cisme etkiyen elektrik kuvveti diğer yüklü cisimlerin yarattığı elektrik alanlarından kaynaklanır.
Bir noktada elektrik alan olup olmadığını deneysel olarak belirlemek için oraya küçük bir elektrik yükü getirilir. Az önce sözünü ettiğimiz deneme yükü denen bu yük bir elektrik kuvveti hissederse o noktada elektrik alan vardır. Alan bu deneme yükünden değil, başka yüklerden kaynaklanır. Bu deneme yüküne etkiyen elektrik alanı, deneme yüküne etkiyen bir F kuvvetinin (vektör) deneme yüküne oranı olarak tanımlayabiliriz:
SI birimlerinde kuvvetin birimi Newton (N) ve yükün birimi Coulomb olduğuna göre elektrik alanın büyüklüğünün birimi de Newton/Coulomb’dur.
Aynı eşitliği kullanarak eğer elektrik alanın büyüklüğü biliniyorsa, cebirsel olarak bir değişimle, elektrik kuvvetini şöyle ifade edebiliriz:
F=qE (F ve E, vektöreldir)
Burada q deneme yükü pozitif ya da negatif olabilir. Eğer deneme yükümüz pozitif ise üzerine uygulanan F kuvvetinin yönü ile elektrik alanın yönü aynıdır. Deneme yükümüz negatif ise bu durumda F kuvveti ve E elektrik alanı zıt yönde olacaktırlar. Ancak bu eşitlik sadece nokta deneme yüklü parçacıklar için geçerli olduğunu unutmamak gerekir. Çünkü elektrik alanı farklı noktalarda farklı değerler alabilir, aynı şekilde elektrik kuvveti de!
Nokta Yükün Elektrik Alanı
Bir nokta yükün elektrik alanı Coulomb Yasası‘ndan elde edilebilir:
Elektrik alan tüm yönlerde nokta yükten dışarı doğru radyaldır. Yandaki şekilde görülen daireler küresel eşpotansiyel yüzeylerdir.
Herhangi bir sayıdaki nokta yüklerden elektrik alan birbirinden ayrı alanların bir vektör toplamından elde edilebilir. Pozitif yük için dışarı doğru giden alan olarak alınır, negatif bir yükün elektrik alanı kendisine doğrudur.
Bu elektrik alan ifadesi Gauss yasası uygulanarak da elde edilebilir (Gauss yasası ile ilgili ilerleyen zamanlarda bir yazımız olacak).
Kavram:Elektrik alanı ve elektrik kuvveti, vektöreldir!
Fizik’te bazı nicelikler vardır ki onları yön ile detaylı bir şekilde belirtmemiz gerekir. Aynı türden iki niceliği sayısal olarak değerinin yanı sıra doğrultusu, yönü ve uygulama noktası yönünden de sınıflandırabiliriz. Örneğin hız, ivme, kuvvet gibi niceliklerde yön önemlidir. İki araç saatte 50 kilometre hızla ilerliyor olabilir ama hangi yönde? Uygulama noktaları yani başlangıç noktalarını aynı kabul edersek, araçlardan birinin kuzeye diğerinin güneye hareket etmesi ya da aynı yönde hareket etmeleri o araçların gelecekteki konumlarını belirlemede oldukça önemlidir. Eğer yönü katmadan sadece hız büyüklüğünü düşünüp belli bir süre sonraki konumlarını belirlemek istersek aynı konumda olacaklarını söyleriz. Oysa yönü katarsak ve zıt yönlerde (kuzey-güney) hareket ediyorlarsa birbirlerinden giderek uzaklaşacaklarını söyleyebiliriz. Bu bir niceliği daha detaylı incelememizi sağlar. Aynı şekilde elektrik alan ve elektrik kuvveti de vektörel bir niceliktir. Örneğin negatif bir yük ile pozitif bir yükün elektrik alan yönelimlerinin farklı olduğunu söyledik. Demek ki, elektrik alan yükün türüne göre farklı yönelimlere sahip ve bu niceliğin yöne bağımlı olduğunu gösterir. Öyleyse elektrik alan vektöreldir. Elektrik kuvveti de iki yük arasındaki etkileşimden kaynaklanmasından dolayı vektörel bir nicelikti. F=qE bağıntısından da yük vektörel bir nicelik olamayacağından kuvvetin ve elektrik alanın vektörel olmasını bekleriz. Buna göre örneğin elektrik alan için, kartezyen koordinatlarda (x,y,z) ele alırsak onun Ex(x,y,z), Ey(x,y,z) ve Ez(x,y,z) fonksiyonlarına ya da bileşenlerine sahip olduğunu söyleyebiliriz.
Bir nokta yük (q) boşluktaki her noktada bir elektrik alanı (vektörel) oluşturur. Oluşan elektrik alanın büyüklüğü uzaklık artışıyla azalır. a) Bir pozitif nokta yükün neden olduğu elektrik alanı radyal olarak yükün dışına doğrudur. b) Bir negatif nokta yükün neden olduğu elektrik alanı radyal olarak kendisine doğrudur.
Elektrik Alan Çizgileri
Elektrik alan çizgileri, elektrik alanı daha iyi kavramak ve betimlemek konusunda bize yardımcı olabilir. Çünkü elektrik alanı gözümüzle göremediğimiz bir niceliktir. Bir elektrik alan için, herhangi bir noktada var olan elektrik alan vektörüne teğet bir çizgi çizerseniz (hayal ederseniz) o sizin elektrik alan çizginiz olacaktır. Bu elektrik alan çizgisi kavramı ile ilk olarak Michael Faraday ilgilenmiştir ve o zamanlar elektrik alan çizgilerinden kuvvet çizgileri şeklinde bahsediyordu. Yıllar içerisinde fizikçiler kuvvet çizgilerinden ziyade alan çizgileri olarak bu kavramı betimlemeyi sürdürdüler. Peki elektrik alan çizgileri ne işe yarar?
Elektrik alan içindeki herhangi bir noktada elektrik alanın yönü elektrik alan çizgisinin o noktadaki teğetinin yönüdür.
Basit bir şekilde, tanımı gereği, elektrik alan çizgileri elektrik alan içindeki bir noktada var olan elektrik alan vektörünün yönünü gösterir. Aynı zamanda elektrik alan çizgilerinin sık olmaları ya da birbirinden uzak olmaları elektrik alanın büyüklüğüne dair fikir de verir. Öyle ki, alan çizgileri birbirine yakın olduğu yerlerde elektrik alan şiddetli, birbirlerinden uzak olduğu yerlerde elektrik alan zayıftır.
Elektrik alan çizgileri hakkında bilmemiz gereken bir diğer özellik ise elektrik alan içindeki bir noktadan tek bir alan çizgisinin geçmesidir. Böylece alan çizgilerinin hiçbir şekilde birbirlerini kesmeyecekleri anlaşılır.
Elektrik alan çizgileri,
- Bir pozitif yükten çıkıp bir negatif yükte son bulurlar.
- Bir pozitif yükten ayrılan veya bir negatif yüke ulaşan alan çizgilerinin sayısı yük miktarıyla orantılıdır.
- Asla birbirlerini kesmezler.
a) Tek bir pozitif yük. Alan çizgileri her zaman pozitif yükten uzağa ve negatif yüklere doğrudur. b) İki eşit ve zıt yük. c) İki eşit pozitif yük. Elektrik alanın şiddetli olduğu yerlerde alan çizgileri birbirlerine yaklaşır, zayıf olduğu yerlerde birbirinden ayrılır.
Kaynaklar:
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/elefie.html
- http://physics.bu.edu/~duffy/PY106/Electricfield.html
- Raymond A. Serway, Robert J. Beichner, Fizik 2, Çev. Edi. Prof. Dr. Kemal Çolakoğlu, Palme Yayıncılık, 2002.
- Hugh D. Young, Roger A. Freedman, University Physics, Addison Wesley, 2009.
Elektrik ve Manyetizma yazı dizimizde,
Önceki Yazımız: Coulomb Yasası ve Elektrik Kuvveti
Sonraki Yazımız: Elektrik Dipolleri
