Elektriksel Alan

Elektrik alan, alan içinde belli bir yerde sabit duran noktasal yüke uygulanan, yük başına düşen kuvvet olarak tanımlanır.

Fizikte elektrik alan, elektriksel alan veya elektrik alanı; elektriksel yükü veyamanyetik alanı içinde barındıran uzayın bir özelliğidir ve içinde bulunan yüklü nesnelere elektriksel güç sayesinde ile etki eder.

Elektriksel alan kavramı Michel Faraday tarafından fizik bilimine kazandırılmıştır.

Elektriksel Alan Nedir?

Elektrik alan SI birimi Newton/Coulomb ya da Volt/metre olan bir vektör alanıdır. SI temel birimleri cinsinden kg·m·s⁻³·A⁻¹ olarak bilinir. Alanın belli bir noktadaki büyüklüğü o noktaya etki edecek 1 Coulomb‘luk bir yüke ne kadar kuvvet uygulayacağıyla belirlenir, alanın yönü kuvvetin yönüdür.

Elektrik alanın yoğunluğunun büyüklüğü, alan büyüklüğünün karesiyle doğru orantılı elektriksel enerjiye sahiptir. Elektrik alanın yükle ilişkisi yer çekim ivmesinin kütleyle ilişkisinin ve kuvvet yoğunluğunun hacimle ilişkisi gibidir.

Manyetik alana sebep olan ve zamana göre değişen bir elektriksel alan, elektrik ve manyetik alanların birbiriyle ilişkili olduğunu gösterir. Bu yüzden elektrik alandan ve manyetik alandan ayrı ayrı bahsetmek yerine elektromanyetik alan (elektromanyetizma) kavramı kullanılır.

Elektromanyetik alandaki değişimler kuantum mekaniğinde foton olarak adlandırılır.

Genel formülü: E=F/q

• E: Elektriksel alandaki konumu
• q: Yükü
• F: Elektriksel kuvveti

temsil eder.

F parçacık tarafından hissedilen elektriksel kuvvet, q parçacığın yükü, E parçacığın konumundaki elektrik alan.

Literal olarak alındığında bu denklem elektrik alanı yalnızca alanda durağan yükler olduğunda tanımlar. Dahası, alandaki yükler elektrik alanı değiştireceğinden, herhangi bir q yükünün varlığındaki elektrik alan o yük olmadığında olandan daha farklı olacaktır. Fakat, verili bir yük dağılımından kaynaklanan elektrik alan bu alanı hissedecek hiçbir parçacık olmasa dahi tanımlıdır. Bu tanımlılık alana varsayımsal olarak yerleştirilen test yükü ile sağlanır. Bu sayede elektrik alan test yükü sıfıra yaklaşırken yükün hissedeceği kuvvet ile tanımlanır:

Bu ifade elektrik alanın yalnızca kaynak yük dağılımına bağlı olmasını sağlar.

[ad#bilg300l]

Tanımdan anlaşılabilceği üzere elektrik alanın yönü pozitif yüklü parçacığın hissedeceği kuvvetin yönüyle aynı, negatif yüklü parçacığın hissedeceği kuvvetin yönünün zıttıdır. Aynı yükler birbirini çekip zıt yükler birbirini iteceğinden (aşağıda formülü verilmiştir), pozitif yüklerin etrafındaki alanların dışarıyı gösterdiğini ve negatif yüklerin etrafındaki alanların içeriye doğru yöneldiğini söyleyebiliriz.

Coulomb yasasına dayanarak, uzayda tek bir noktasal yük tarafından üretilen elektrik alanı yazabiliriz: E=1/4pi… q elektrik alanı üreten parçacığın yükü, r elektrik alanı hesapladığımız nokta ile q yükü arasındaki uzaklık, r q yükünden elektrik alanın hesaplandığı noktayı gösteren birim vektör, epsilon elektrik sabiti.

Birden fazla noktasal yükün ürettiği elektrik alan yüklerin teker teker ürettiği elektrik alanların süperpozisyonudur:

Alternatif olarak, Gauss yasası uzayda sürekli bir yük yoğunluğu dağılımının ürettiği elektrik alanı hesaplamamızı sağlar.

ρ pozisyona bağlı olarak yük yoğunluğunu verir.

Coulomb yasası esasen elektrik yük dağılımı ile bu dağılımdan kaynaklanan elektrik alan arasındaki ilişkiyi gösteren Gauss yasasının özel bir halidir. Gauss yasası elektromanyetik teoriyi oluşturan dört Maxwell denklemlerinden biridir.

Elektrik alan enerji depolar. Bir elektrik alanın enerji yoğunluğu aşağıdaki gibidir.

epsilon alanın içerisinde bulunduğu yerin dielektrik katsayısı, E elektrik alan vektörüdür. Böylece, verili bir Vhacminde depolanan toplam enerji dV diferansiyel hacim elementi olmak üzere

olarak verilir.

Elektrostatik ve kütle çekimi arasındaki paralellikler

Elektrik yükleri arasındaki ilişkiyi gösteren Coulomb yasası

Newton’un evrensel kütleçekim yasası ile benzerdir:

Bu, elektrik alanla yer çekimi alanı arasında benzerlikler olduğunu gösterir. Bu benzerlikler:

1. İkisi de boşlukta yayılır.
2. İkisi de merkezidir ve korunur.
3. İkisi de ters kare yasasına uyar.
4. İkisi de ışık hızıyla yayılır.
5. Elektrik yükü ve relativistik kütle korunur. (Not: Buna karşın durağan kütle korunmaz.)

Elektrostatik ve kütleçekim kuvvetleri arasındaki farklar:

1. Elektrostatik kuvvet kütleçekim kuvvetinden çok daha fazla kuvvetlidir (yaklaşık 10 kat).
2. Kütleçekiminde benzer yüklerin birbirini itmesi söz konusu değildir.
3. Negatif yüklerin var olmasına karşın negatif kütle diye bir şey yoktur. Bu madde bir öncekiyle birleştirildiğinde, kütleçekim kuvvetinde kütlelerin birbirini her zaman çektiğini fakat elektrostatik kuvvetlerde yüklerin birbirini hem çekip hem itebildiklerini söyleyebiliriz.