Elektrostatik-3: Elektriksel kuvvet ve alan

Elektriksel Kuvvet (Coulomb Kuvveti)

Elektrik yüklü cisimlerin birbirlerine uyguladığı kuvvetin büyüklüğü ilk kez Charles Augustin De Coulomb tarafından yapılan deneyler sonucu bulunmuştur.

Merzekleri arasında d kadar uzaklık olan, elektrik yük miktarı \(q_1\) ve \(q_2\) olan cisimlerin birbirlerine uyguladığı Coulomb kuvvetinin büyüklüğü (F) aşağıdaki bağlantı ile hesaplanır.

\(F=k.\frac{q_1.q_2}{d^2}\)
- Cisimlerin elektrik yükü Coulomb (C),
- cisimlerin merkezleri arasındaki uzklık metre (m),
- k: Coulomb sabiti (\(9.10^9 N.m^2/C^2\))

Elektrik yüklü cisimlerin birbirine uyguladığı Coulomb kuvvetinin büyüklüğü, cisimlerin bulunduğu ortamın dielektrik (yalıtkanlık) özelliklerine bağlıdır. Bu durum Coulomb sabiti (k) ile belirlenmiştir.

Elektrostatik kuvvetin büyüklüğü;

Yüklü cisimlerin yük miktarlarının çarpımıyla doğru orantılı,
Ortamların özelliğine bağlı coulomb sabiti ile doğru orantılı
Yüklü cisimler arasındaki uzaklığın karesi ile ters orantılıdır.

Elektrik yüklü cisimler arasında oluşan elektrostatik kuvvetin büyüklüğü, aralarındaki uzaklık ve yük miktarları değiştirildiğinde aşağıdaki gibi değişir.

Cisimlerin birbirine uyguladığı elektriksel kuvvetler; temas gerektirmeyen, itme ya da çekme şeklinde etki eden kuvvetlerdir.

Elektrik yüklü cisimlerin birbirine uyguladıkları karşılıklı itme ya da çekme kuvvetleri daima eşit büyüklükte ve zıt yönlüdür.

Cisim birden fazla kuvvetin etkisinde ise cisme etki eden net (bileşke) kuvvet bulunur.

Kuvvetin büyüklüğü bulunurken yüklerin işareti önemli değildir. Yüklerin işareti, kuvvetlerin yönünün belirlenmesinde önemlidir.

Elektrik Alan

Bir yükün etkisini gösterdiği bölgeye o yükün elektrik alanı denir.

Vektöreldir.
\(\vec{E}\) ile gösterilir.
"+" yüklerden "-" yüklere doğrudur.
Birimi newton/coulomb dur. (\(\frac{N}{C}\))

Yüklü bir cismin herhangi bir noktadaki elektrik alanı, yükün o noktadaki pozitif birim yüke uyguladığı elektriksel kuvvet olarak tanımlanır. q yükünden d uzaklıktaki bir noktada elektrik alanının şiddeti (E), şu şekilde ifade edilir:

\[E=k\frac{q}{d^2} \]

k: coulomb sabiti (k_{hava}=9.10^9)

Elektrik Alan Çizgileri

Elektrik yüklerinin etrafında, elektrik alanı gösteren sonsuz sayıda, hayali kuvvet çizgisi olduğu kabul edilir.

Elektrik alan çizgilerinin yönü; pozitif yüklerde yükten dışarıya doğru, negatif yüklerde ise yüke doğrudur.
Yüklü cisimlerin çevresindeki elektrik alan çizgileri arasındaki etkileşme üç boyutludur.
Elektrik alan çizgisi, her noktada oluşan bileşke elektrik alan yönlerine göre bulunur.
Elektrik yüklü noktasal bazı cisim çiftlerinin elektrik alan çizgileri şu şekildedir:
Bir düzenekte, "elektrik alan şiddeti"; elektrik alan çizgilerinin sık olduğu yerde büyük, elektrik alan çizgilerinin seyrek olduğu yerde küçüktür.

Elektriksel Kuvvet ve Alanın Günlük Hayattaki ve Teknolojideki Yeri

Akıllı telefonlar ve bilgisayarlarda kullanılan kapasitif dokunmatik ekranlar, kullanıcının parmağının ekranın elektrik alanını nasıl etkilediğini tespit ederek çalışır.
Çok büyük elektriksel alanlar, parçacıkların hızlandırılmasında kullanılır.
elektriksel alan, katot ışın tüplerinde ve eski tip televizyon ekranlarında, elektronları hızlandırmak ve belirli bir yön vermek için kullanılır.
Güvenlik kontrol noktalarında kullanılan metal dedektörleri metallerin tespit edilmesinde elektriksel alanlardan yararlanır.
Bilgisayar çipleri ve diğer yarı iletken cihazlar, transistörlerin çalışması için elektriksel alanları kullanır. Bu alanlar, elektronların akışını kontrol eder.