AYT ELEKTRİKSEL KUVVET VE ELEKTRİK ALAN

0
34
AYT Elektriksel Kuvvet ve Elektrik Alan konu anlatımı

AYT elektriksel kuvvet ve elektrik alan konu anlatımı kapsamında Coulomb yasası, bileşke elektriksel kuvvet, elektriksel dengedeki sistemler, elektrik alanın tanımı, noktasal yüklerin bileşke alanı, alanın sıfır olduğu noktalar ve elektrik alan çizgileri işlenecektir.
AYT fizik konularının tamamına AYT konu anlatımı arşivinden ulaşabilirsiniz.

Elektriksel Kuvvet ve Coulomb Yasası

Yüklerin Etkileşimi ve Coulomb Yasası

Elektrik yükü, maddenin elektriksel etkileşime katılmasını belirleyen ve q ile gösterilen fiziksel büyüklüktür. SI birimi coulombdur (C). Aynı işaretli yükler birbirini iter, zıt işaretli yükler birbirini çeker. İki noktasal yük arasındaki bu etkileşime elektriksel kuvvet ya da Coulomb kuvveti denir.

Yükleri q1 ve q2, aralarındaki uzaklık r olan iki noktasal yük arasındaki kuvvetin büyüklüğü F=k·|q1q2|/r2 bağıntısıyla hesaplanır. Burada k ortamın elektriksel özelliğine bağlı Coulomb sabitidir. Boşlukta yaklaşık k=9·109 N·m2/C2 olur. Daha büyük elektriksel geçirgenliğe sahip bir ortamda k ve dolayısıyla kuvvet küçülür.

Coulomb kuvveti, yüklerin merkezlerini birleştiren doğrultudadır. Yüklerin birbirine uyguladığı kuvvetler büyüklükçe eşit ve yönce zıttır; bu kuvvetler Newton’ın üçüncü yasasına uygun bir etki-tepki çiftidir. Kuvvetlerin eşit olması, kütleleri farklı cisimlerin ivmelerinin de eşit olmasını gerektirmez.

Aynı ve zıt işaretli noktasal yüklerde Coulomb kuvvetinin yönü ve uzaklığa bağlı değişimi
Yük miktarıF, |q1q2| çarpımıyla doğru orantılıdır.
UzaklıkF, r2 ile ters orantılıdır.
OrtamElektriksel geçirgenlik arttıkça k ve F azalır.
Örnek - 1

Havada aralarında d uzaklığı bulunan +q ve -2q yüklü noktasal cisimlerin birbirine uyguladığı kuvvetin büyüklüğü F’dir. Yükler, Coulomb sabiti havadakinin üçte biri olan bir ortama alınarak yük miktarları +3q ve -q, aralarındaki uzaklık d/2 yapılıyor. Yeni kuvvetin büyüklüğü kaç F olur?

A) 1/2
B) 1
C) 3/2
D) 2
E) 4

İlk durumda F=k·2q2/d2‘dir. Yeni ortamda k’=k/3, yük çarpımının büyüklüğü 3q2 ve uzaklık d/2’dir. Bu nedenle F’=(k/3)·3q2/(d/2)2=4kq2/d2 olur. İlk kuvvet 2kq2/d2 olduğundan F’/F=2‘dir.

Cevap: D

Örnek - 2

Kütleleri m ve 3m, yükleri sırasıyla +q ve -4q olan iki küçük küre yatay, sürtünmesiz ve yalıtkan düzlemde tutulmaktadır. Küreler serbest bırakıldıkları anda birbirlerine uyguladıkları kuvvetlerin büyüklükleri F1, F2; ivme büyüklükleri a1, a2 oluyor. F1/F2 ve a1/a2 oranları nedir?

A) 1 ve 1/3
B) 1 ve 1
C) 1 ve 3
D) 4 ve 1/3
E) 4 ve 3

Kürelerin yük miktarları farklı olsa da birbirlerine uyguladıkları kuvvetler bir etki-tepki çiftidir; bu nedenle F1=F2. İvme için a=F/m yazılır. Birinci kürenin ivmesi F/m, ikinci kürenin ivmesi F/(3m) olduğundan a1/a2=3 olur.

Cevap: C

Bileşke Elektriksel Kuvvet

Bir yüke birden fazla yüklü cisim etki ediyorsa her kaynak yükün oluşturduğu kuvvet ayrı ayrı belirlenir. Elektriksel kuvvet vektörel olduğundan net kuvvet, bu kuvvetlerin vektörel toplamıdır: Fnet=F1+F2+…. Kuvvet yönü belirlenirken önce hedef yük ile her kaynak yük arasındaki çekme ya da itme ilişkisi incelenir; büyüklük hesabında ise yüklerin işaretleri değil mutlak değerleri kullanılır.

Aynı doğrultudaki kuvvetler cebirsel işaretle toplanabilir. Dik kuvvetlerin bileşkesi Pisagor bağıntısıyla, aralarında başka bir açı bulunan kuvvetlerin bileşkesi ise vektör bileşenleriyle bulunur. Bileşke hesaplanırken yalnız kuvvetin sorulduğu cisme etki eden vektörler kullanılır.

İki kaynak yükün hedef yüke uyguladığı elektriksel kuvvetlerin vektörel bileşkesi
Örnek - 3

Şekilde +q yüklü Q cismi x=0 noktasında, +4q yüklü K cismi x=-d noktasında ve -q yüklü L cismi x=+2d noktasında sabitlenmiştir. K’nin Q’ya uyguladığı kuvvetin büyüklüğü F olduğuna göre Q’ya etki eden bileşke elektriksel kuvvet nedir?

Eksi d noktasında artı 4q, sıfırda artı q ve artı 2d noktasında eksi q yükleri
A) 3F/4, sola
B) F, sağa
C) 5F/4, sağa
D) 17F/16, sağa
E) 17F/16, sola

K ve Q aynı işaretli olduğundan K, Q’yu sağa doğru F ile iter. L ve Q zıt işaretli olduğundan L de Q’yu sağa doğru çeker. L’nin kuvveti, yük çarpımında K’nin kuvvetinin 1/4’ü ve uzaklığın karesi nedeniyle ayrıca 1/4’üdür; yani FLQ=F/16. Aynı yönlü kuvvetlerin toplamı Fnet=F+F/16=17F/16 ve yönü sağadır.

Cevap: D

Örnek - 4

Kenar uzunluğu d olan eşkenar üçgenin üst köşesinde +q, sol alt köşesinde +2q ve sağ alt köşesinde -2q noktasal yükleri bulunmaktadır. Üst köşedeki +q yüküne etki eden bileşke kuvvetin büyüklüğü ve yönü nedir?

Eşkenar üçgen köşelerinde artı q, artı 2q ve eksi 2q noktasal yükleri
A) kq2/d2, sola
B) 2kq2/d2, sağa
C) 2kq2/d2, yukarı
D) 2√3kq2/d2, sağa
E) 4kq2/d2, aşağı

Alt köşelerdeki yüklerin üstteki yüke uyguladığı kuvvetlerin her birinin büyüklüğü 2kq2/d2‘dir. Sol alttaki pozitif yük üstteki yükü sağa-yukarı iter; sağ alttaki negatif yük sağa-aşağı çeker. Eşit büyüklükteki kuvvetlerin düşey bileşenleri birbirini yok eder. Her kuvvetin yatay bileşeni (2kq2/d2)cos60°=kq2/d2 olduğundan toplam 2kq2/d2 ve sağa doğrudur.

Cevap: B

Örnek - 5

Pozitif yüklü X cismi O noktasındadır. Y cismi O’nun 2d solunda, Z cismi O’nun d üstünde sabitlenmiştir. Y’nin X’e uyguladığı kuvvet doğu yönünde 4F, Z’nin X’e uyguladığı kuvvet güney yönünde 3F olduğuna göre Y ve Z yüklerinin işaretleri ile |qY|/|qZ| oranı nedir?

O noktasındaki X yüküne soldaki Y ve üstteki Z yüklerinden etki eden kuvvetler
A) Y pozitif, Z pozitif; 16/3
B) Y pozitif, Z negatif; 16/3
C) Y negatif, Z pozitif; 3/16
D) Y negatif, Z negatif; 4/3
E) Y pozitif, Z pozitif; 4/3

X pozitif olduğuna göre soldaki Y’nin X’i doğuya itmesi Y’nin pozitif, üstteki Z’nin X’i güneye itmesi de Z’nin pozitif olduğunu gösterir. Kuvvet oranı 4/3=[|qY|/(2d)2]/[|qZ|/d2] olur. Buradan |qY|/|qZ|=16/3 bulunur.

Cevap: A

İletken Kürelerde Temas ve Noktasal Yük Modeli

Coulomb bağıntısı doğrudan noktasal yükler için geçerlidir. Yarıçapları aralarındaki uzaklığa göre çok küçük olan yüklü küreler ya da küresel simetrili yük dağılımları, dış noktalar için merkezlerinde toplanmış noktasal yük gibi modellenebilir. Bu yaklaşım, küreler birbirine çok yaklaştığında ve yük dağılımı belirgin biçimde bozulduğunda geçerliliğini kaybedebilir.

Özdeş iletken küreler birbirine dokundurulduğunda toplam yük korunur ve son durumda yükler eşit paylaşılır. Küreler ayrıldıktan sonra yeni kuvvet, temas sonrasındaki yüklerle yeniden hesaplanır. Yalıtkan cisimlerde ise yükler iletkenlerdeki gibi bütün yüzeye serbestçe dağılmaz.

Örnek - 6

Özdeş ve küçük iletken K ile L kürelerinin yükleri +7q ve -q, merkezleri arasındaki uzaklık d’dir. Küreler birbirine dokundurulup yeniden d uzaklığına getiriliyor. İlk kuvvetin büyüklüğü F olduğuna göre son kuvvetin büyüklüğü ve türü nedir?

Artı 7q ve eksi q yüklü özdeş iletken kürelerin temas öncesi ve sonrası durumu
A) F/7, çekme
B) 3F/7, itme
C) 7F/9, çekme
D) 9F/7, itme
E) 9F, itme

İlk kuvvet F=7kq2/d2‘dir ve yükler zıt işaretli olduğu için çekmedir. Toplam yük +6q olduğundan temas sonrası her özdeş küre +3q ile yüklenir. Son kuvvet F’=9kq2/d2=(9/7)F olur. İki küre de pozitif olduğundan son etkileşim itmedir.

Cevap: D

Elektriksel Kuvvet Altında Denge

Yüklü bir cisim dengedeyse üzerine etki eden elektriksel kuvvet, ağırlık, ip gerilmesi, yay kuvveti veya temas kuvvetleri vektörel olarak birbirini dengeler. Yatay elektriksel kuvvet Fe ve düşey ağırlık mg etkisindeki ipli bir cisim için tanθ=Fe/(mg), ip gerilmesi için T=√(Fe2+m2g2) yazılır.

İki yüklü cisim arasındaki Coulomb kuvveti iki cisimde eşit büyüklüktedir. Buna karşılık denge açısı ve ip gerilmesi kütleye bağlıdır. Ortamın elektriksel geçirgenliği arttığında Coulomb kuvveti azaldığı için yatay sapma da küçülür.

İple asılı iki yüklü kürede elektriksel kuvvet ağırlık gerilme ve denge açıları
Örnek - 7

Kütleleri m ve 2m olan, zıt işaretli yüklere sahip K ve L küreleri yatay, sürtünmesiz ve yalıtkan düzlemde d uzaklıkla tutulmaktadır. Küreler aynı anda serbest bırakılıp çarpışıyor. Dış yatay kuvvet olmadığına göre K küresinin başlangıç noktasından çarpışma noktasına kadar aldığı yol kaç d’dir?

Kütleleri m ve 2m olan zıt yüklü K ve L kürelerinin çarpışma düzeni
A) 1/3
B) 2/5
C) 1/2
D) 2/3
E) 3/4

Küreler arasındaki elektriksel kuvvetler iç kuvvettir; dış yatay kuvvet olmadığından sistemin kütle merkezi yer değiştirmez. K’nin yolu x, L’nin yolu d-x ise m·x=2m·(d-x) yazılır. 3x=2d ve x=2d/3 bulunur. Coulomb kuvvetinin hareket boyunca değişmesi bu kütle merkezi sonucunu değiştirmez.

Cevap: D

Örnek - 8

Kütleleri m ve 2m olan aynı işaretli yüklere sahip K ve L küreleri, ayrı tavan noktalarından yalıtkan iplerle asılmıştır. Denge durumunda küre merkezleri aynı yatay düzeydedir. İplerin düşeyle yaptığı açılar sırasıyla α ve β, ip gerilmeleri TK ve TL‘dir. Buna göre tanα/tanβ ve TK ile TL arasındaki ilişki nedir?

Ayrı tavan noktalarından asılı ve merkezleri aynı düzeyde olan m ve 2m kütleli yüklü küreler
A) 1/2 ve TK>TL
B) 1 ve TK=TL
C) 2 ve TK<TL
D) 2 ve TK=TL
E) 4 ve TK<TL

İki küre arasındaki elektriksel kuvvetin büyüklüğü her iki kürede de Fe‘dir. Bu nedenle tanα=Fe/(mg), tanβ=Fe/(2mg) ve oran 2 olur. Gerilmeler TK=√(Fe2+m2g2), TL=√(Fe2+4m2g2) olduğundan TK<TL‘dir.

Cevap: C

Örnek - 9

Özdeş iki pozitif yüklü küre, eşit uzunluklu iplerle tavana asılıp havada dengededir. Sistem, yükler sabit tutularak havaya göre daha büyük elektriksel geçirgenliğe sahip homojen bir yalıtkan ortam içine alınıyor ve yeniden dengeye gelmesi bekleniyor. Yeni dengede Coulomb kuvveti F, ipin düşeyle yaptığı açı θ ve ip gerilmesi T ilk duruma göre nasıl değişir?

İple asılı iki pozitif yüklü kürenin farklı yalıtkan ortamlardaki dengesi
A) F azalır, θ azalır, T azalır
B) F azalır, θ artar, T değişmez
C) F değişmez, θ azalır, T azalır
D) F artar, θ artar, T artar
E) F artar, θ azalır, T değişmez

Elektriksel geçirgenliğin artması Coulomb sabitini ve dolayısıyla F’yi azaltır. tanθ=F/(mg) olduğundan denge açısı küçülür. T=mg/cosθ bağıntısında θ küçülünce cosθ büyür ve gerilme azalır. Üç nicelik de azalır.

Cevap: A

Dikkat

Etki-tepki kuvvetlerinin eşit olması, cisimlerin ivmelerinin, denge açılarının veya ip gerilmelerinin eşit olduğu anlamına gelmez. Bu büyüklüklerde cismin kütlesi ve üzerine etki eden diğer kuvvetler de belirleyicidir.

Elektrik Alan

Elektrik Alanın Tanımı ve Test Yükü

Yüklü bir cismin çevresindeki başka yüklere elektriksel kuvvet uygulayabildiği uzay bölgesi elektrik alan olarak tanımlanır. Bir noktadaki elektrik alan vektörü E, o noktaya yerleştirilen çok küçük pozitif test yüküne etki eden kuvvetin test yüküne oranıdır: E=F/q0. SI birimi newton/coulombdur (N/C).

Test yükünün çok küçük seçilmesi, kaynak yüklerin dağılımını ve incelenen alanı belirgin biçimde değiştirmemesi içindir. Elektrik alan kaynak yüklerin oluşturduğu bir özelliktir; test yükünün değerine bağlı değildir. Pozitif test yüküne etki eden kuvvet E ile aynı, negatif test yüküne etki eden kuvvet E ile zıt yöndedir. Genel vektörel ilişki F=qE‘dir.

Pozitif ve negatif test yüklerinde elektrik alan ile elektriksel kuvvet yönleri
Örnek - 10

Bir P noktasına +q0 test yükü konulduğunda yüke doğu yönünde F kuvveti etki ediyor. Aynı noktanın alanı değiştirilmeden +q0 yerine -2q0 test yükü konuluyor. Buna göre P’deki elektrik alan ve ikinci test yüküne etki eden kuvvet nedir?

A) E=F/q0 doğu; kuvvet 2F doğu
B) E=F/q0 doğu; kuvvet 2F batı
C) E=2F/q0 batı; kuvvet F doğu
D) E=F/(2q0) doğu; kuvvet F batı
E) E=2F/q0 doğu; kuvvet 2F batı

Pozitif test yükündeki kuvvet alanla aynı yönlüdür; dolayısıyla E=F/q0 ve yön doğudur. İkinci yük için kuvvet büyüklüğü |F’|=|-2q0|E=2F olur. Yük negatif olduğundan kuvvet alanın tersine, batıya yönelir. Test yükünün değiştirilmesi P’deki elektrik alanı değiştirmez.

Cevap: B

Noktasal Yükün Elektrik Alanı ve Süperpozisyon

Noktasal Q yükünün r uzaklıktaki bir noktada oluşturduğu elektrik alanın büyüklüğü E=k·|Q|/r2‘dir. Alanın yönü pozitif kaynak yükten dışarı, negatif kaynak yüke doğrudur. Bu bağıntıda test yükü bulunmaz; çünkü alan kaynak yükün ve konumun özelliğidir.

Bir noktadaki alan birden fazla kaynaktan oluşuyorsa her yükün alanı ayrı belirlenir ve vektörel olarak toplanır: Enet=E1+E2+…. Alanın sıfır olması, kaynak yüklerin bulunmadığı anlamına gelmez; o noktadaki alan vektörlerinin birbirini dengelediğini gösterir.

Pozitif ve negatif noktasal yüklerin P noktasındaki elektrik alan yönleri ve iki yük için bileşke alan
Örnek - 11

+Q noktasal yükünün d uzaklığındaki P noktasında oluşturduğu elektrik alanın büyüklüğü E’dir. Kaynak yük -3Q ile değiştirilip P’nin uzaklığı 2d yapılıyor. P’deki yeni elektrik alanın büyüklüğü ve yönü nedir?

A) 3E/4, kaynak yüke doğru
B) 3E/4, kaynak yükten dışarı
C) 3E/2, kaynak yüke doğru
D) 3E, kaynak yükten dışarı
E) 4E/3, kaynak yüke doğru

Alan büyüklüğü yükle doğru, uzaklığın karesiyle ters orantılıdır. Bu nedenle E’/E=3/(22)=3/4 olur. Yeni kaynak yük negatif olduğundan alan kaynak yüke doğrudur.

Cevap: A

Örnek - 12

x ekseninde +4q yükü x=0, -q yükü x=3d noktasındadır. P noktası x=d’de olduğuna göre P’deki bileşke elektrik alan nedir?

X ekseninde sıfırda artı 4q, d noktasında P ve 3d noktasında eksi q yükü
A) 15kq/(4d2), sola
B) 15kq/(4d2), sağa
C) 17kq/(4d2), sağa
D) 17kq/(4d2), sola
E) 5kq/d2, sağa

+4q yükünün P’deki alanı pozitif yükten dışarı, sağa doğrudur ve E1=4kq/d2‘dir. -q yükünün alanı negatif yüke doğru, yine sağadır; P ile -q arasındaki uzaklık 2d olduğundan E2=kq/(4d2). Aynı yönlü alanlar toplanır: Enet=17kq/(4d2), sağa.

Cevap: C

Elektrik Alanın Sıfır Olduğu Noktalar

Aynı doğrultudaki iki noktasal yükün bileşke alanının sıfır olabilmesi için alan vektörlerinin zıt yönlü ve eşit büyüklükte olması gerekir. Aynı işaretli yüklerde alanlar iki yük arasında zıt yönlüdür; sıfır alan noktası genellikle yüklerin arasında ve yük miktarı küçük olana daha yakındır.

Zıt işaretli yüklerde iki yük arasındaki alanlar aynı yönlü olduğundan bu bölgede sıfır alan noktası bulunmaz. Yük miktarları eşit değilse sıfır alan noktası, iki yükün bulunduğu doğru üzerinde, yükler arasındaki bölgenin dışında ve mutlak değeri küçük olan yükün tarafındadır. Eşit büyüklükte zıt işaretli iki noktasal yükün sonlu bir sıfır alan noktası yoktur.

Örnek - 13

+9q ve +q noktasal yükleri x ekseninde sırasıyla x=0 ve x=4d noktalarına yerleştirilmiştir. Bileşke elektrik alanın sıfır olduğu noktanın x koordinatı nedir?

X ekseninde sıfırda artı 9q ve 4d noktasında artı q yükleri
A) d
B) 2d
C) 3d
D) 5d
E) 6d

Yükler aynı işaretli olduğundan sıfır alan noktası aralarındadır. Noktanın +9q yüküne uzaklığı x ise +q yüküne uzaklığı 4d-x olur. 9/x2=1/(4d-x)2 eşitliğinin pozitif karekökü alınır: 3/x=1/(4d-x). Buradan 12d-3x=x ve x=3d bulunur.

Cevap: C

Örnek - 14

+4q ve -q noktasal yükleri x ekseninde sırasıyla x=0 ve x=3d noktalarındadır. Bileşke elektrik alanın sıfır olduğu noktanın x koordinatı nedir?

X ekseninde sıfırda artı 4q ve 3d noktasında eksi q yükleri
A) -3d
B) d
C) 2d
D) 4d
E) 6d

Zıt işaretli yüklerin arasındaki alanlar aynı yönlüdür; sıfır alan noktası bu bölgede olamaz. Nokta, küçük mutlak yüklü -q’nun sağında x>3d bölgesindedir. Uzaklıklar +4q’ya x, -q’ya x-3d olur. 4/x2=1/(x-3d)2 eşitliğinden 2/x=1/(x-3d), dolayısıyla x=6d bulunur.

Cevap: E

Simetri ve İki Boyutta Bileşke Alan

Simetrik yük düzenlerinde eşit büyüklükteki alan vektörlerinin bazı bileşenleri birbirini yok ederken bazı bileşenleri aynı yönde toplanır. Kare, eşkenar üçgen ve çember düzenlerinde her yükün hedef noktaya uzaklığı eşitse alan büyüklükleri yalnız yük miktarlarına bağlıdır. Vektör yönleri belirlenmeden yalnız skaler büyüklüklerin toplanması yanlış sonuç verir.

Örnek - 15

Kenar uzunluğu a olan karenin üst iki köşesinde +q, alt iki köşesinde -q yükleri vardır. Karenin merkezindeki bileşke elektrik alanın büyüklüğü ve yönü nedir?

Üst köşelerinde artı q ve alt köşelerinde eksi q bulunan kare
A) 0
B) 2kq/a2, aşağı
C) 2√2kq/a2, yukarı
D) 4kq/a2, aşağı
E) 4√2kq/a2, aşağı

Merkezin her köşeye uzaklığı r=a/√2 olduğundan bir yükün alanı E0=kq/r2=2kq/a2‘dir. Yatay bileşenler simetri nedeniyle yok olur. Üstteki pozitif yüklerin alanları merkezde aşağıya, alttaki negatif yüklerin alanları da negatif yüklere doğru yine aşağıya bileşen verir. Her vektörün düşey bileşeni E0/√2 olduğundan toplam 4·E0/√2=4√2kq/a2, aşağıdır.

Cevap: E

Örnek - 16

O noktasının d solunda +q, d üstünde -2q noktasal yükleri bulunmaktadır. K=kq/d2 olmak üzere O’daki bileşke elektrik alanın büyüklüğü ve doğu yönüyle yaptığı θ açısı için tanθ nedir?

O noktasının solunda artı q ve üstünde eksi 2q yüklerinin oluşturduğu elektrik alan
A) K ve 1/2
B) √2K ve 1
C) √3K ve √2
D) √5K ve 2
E) 3K ve 2

Soldaki +q yükünün O’daki alanı doğuya doğru K’dir. Üstteki -2q yükünün alanı negatif yüke doğru, yani kuzeye ve 2K büyüklüğündedir. Dik bileşenlerin bileşkesi E=√(K2+4K2)=√5K olur. Doğu yönüne göre tanθ=Ey/Ex=2K/K=2‘dir.

Cevap: D

Dikkat

Elektrik alanın yönü pozitif test yüküne göre tanımlanır. Negatif bir parçacığa etki eden elektriksel kuvvet alanın ters yönündedir. Kaynak yüklerin oluşturduğu E alanı test yükünden bağımsızken, parçacığa etki eden F=qE kuvveti test yükünün işaretine ve miktarına bağlıdır.

Elektrik Alan Çizgileri

Alan Çizgilerinin Yönü ve Yoğunluğu

Elektrik alan çizgileri, uzayın her noktasındaki alan yönünü ve göreli alan şiddetini görünür kılan bir modeldir. Bir noktadaki E vektörü, o noktadan geçen alan çizgisine teğettir. Çizgiler pozitif yüklerden çıkar; negatif yüklerde veya sonsuzda son bulur. Elektrostatik alan çizgileri kapalı eğri oluşturmaz ve birbirini kesmez.

Çizgilerin sık olduğu bölgelerde elektrik alan daha büyük, seyrek olduğu bölgelerde daha küçüktür. Bir yüke bağlanan çizgi sayısı yalnız göreli yük miktarını temsil eden çizimsel bir göstergedir; alan çizgileri fiziksel ipler veya parçacıkların zorunlu hareket yolları değildir. İletken yüzey dengedeyken alan çizgileri yüzeye dik ulaşır.

Tek pozitif tek negatif aynı işaretli ve zıt işaretli yüklerin elektrik alan çizgileri
Örnek - 17

Şekilde elektrik alan çizgilerinin tamamı K yükünden çıkmaktadır. Çizgilerin bir bölümü L yükünde sonlanırken bir bölümü sonsuza uzanmaktadır. Buna göre K ve L’nin işaretleri ile yük miktarları arasındaki ilişki hangisidir?

K yükünden çıkan çizgilerin bir bölümünün L yükünde sonlandığı elektrik alan modeli
A) K pozitif, L negatif ve |qK|<|qL|
B) K pozitif, L negatif ve |qK|>|qL|
C) K negatif, L pozitif ve |qK|>|qL|
D) K ve L pozitif ve |qK|>|qL|
E) K ve L negatif ve |qK|<|qL|

Alan çizgileri K’den çıktığı için K pozitiftir; K’den çıkan çizgilerin L’de sonlanması L’nin negatif olduğunu gösterir. K’den çıkan çizgilerin yalnız bir bölümü L’ye ulaşmakta, kalan çizgiler sonsuza uzanmaktadır. Bu nedenle K’ye bağlanan toplam çizgi sayısı L’ye bağlanan çizgi sayısından fazla, dolayısıyla |qK|>|qL| olur.

Cevap: B

Örnek - 18

Şekilde elektrostatik alan için üç ayrı çizim verilmiştir. I. çizimde iki alan çizgisi kesişmekte, II. çizimde pozitif yükten çıkan çizgiler sonsuza uzanmakta, III. çizimde alan çizgisi kapalı bir eğri oluşturmaktadır. Hangileri fiziksel bir elektrostatik alanı temsil edemez?

Kesişen sonsuza uzanan ve kapalı eğri oluşturan üç elektrik alan çizgisi modeli
A) Yalnız I
B) Yalnız II
C) I ve II
D) I ve III
E) II ve III

Bir noktada elektrik alanın yalnız bir yönü olabileceği için alan çizgileri kesişemez; I temsil edilemez. Net pozitif yükün çizgilerinin sonsuza uzanması mümkündür; II uygundur. Elektrostatik alan çizgileri kapalı eğri oluşturmaz; III temsil edilemez. Bu nedenle I ve III seçilir.

Cevap: D

Örnek - 19

Şekilde aynı elektrik alanın üç farklı küçük bölgesinin büyütülmüş görünümleri verilmiştir. P çevresindeki çizgi yoğunluğu R çevresindekinden, R çevresindeki yoğunluk da S çevresindekinden büyüktür. P ve R’deki çizgi teğetleri birbirine paralel, S’deki teğet farklı yönlüdür. Alan büyüklükleri ve yönleri için hangisi doğrudur?

P R ve S bölgelerinde kesişmeyen elektrik alan çizgilerinin yoğunluk ve teğet karşılaştırması
A) EP<ER<ES; üç alan aynı yönlüdür
B) EP>ER>ES; P ve R aynı yönlüdür
C) EP=ER>ES; P ve S aynı yönlüdür
D) EP>ES>ER; R ve S aynı yönlüdür
E) Büyüklük çizgilerden karşılaştırılamaz; yalnız yön bulunur

Alan çizgisi yoğunluğu alan büyüklüğünün göreli göstergesidir; verilen yoğunluk sırası EP>ER>ES sonucunu verir. Alan yönü çizgiye teğet olduğundan paralel ve aynı ok yönündeki P ile R alanları aynı yönlüdür. S’deki teğet farklı olduğu için S’nin alan yönü de farklıdır.

Cevap: B

Alan Çizgisi ile Parçacık Hareketinin Ayrımı

Bir yüklü parçacığın belirli bir noktadaki elektriksel ivmesi a=qE/m bağıntısıyla belirlenir. Parçacık pozitifse ilk ivme alanla aynı, negatifse alanla zıt yöndedir. Ancak parçacığın sonraki hareketi, o andaki hızı ile alanın konuma bağlı değişiminin birlikte sonucudur.

Bu nedenle alan çizgisi, pozitif test yüküne etki eden kuvvetin anlık yönünü gösterir; her koşulda parçacığın yörüngesi değildir. Parçacık başlangıçta durgun olsa bile eğri ve konuma göre değişen bir alanda hız vektörü zamanla birikerek alan çizgisinden farklı bir yörünge oluşturabilir.

Örnek - 20

Şekilde P noktasından geçen eğri bir elektrik alan çizgisi ve P’deki alan yönü gösterilmiştir. Aynı noktada ilk hızsız bırakılan +q ve -q parçacıkları için;

I. +q parçacığının ilk ivmesi P’deki alan çizgisine teğettir.
II. -q parçacığının ilk ivmesi P’deki alan yönüne zıttır.
III. Her iki parçacığın bütün hareket boyunca yörüngeleri alan çizgisiyle çakışmak zorundadır.

yargılarından hangileri doğrudur?

P noktasından geçen eğri elektrik alan çizgisi ve teğet elektrik alan vektörü
A) Yalnız I
B) Yalnız II
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III

Elektrik alan vektörü çizgiye teğettir. Pozitif yük için a=qE/m alanla aynı yönlü olduğundan I doğrudur. Negatif yükte q<0 olduğu için ivme alanın ters yönündedir; II de doğrudur. Alan çizgisi yalnız kuvvetin ve ivmenin anlık yönünü gösterir. Yörünge, hızın zaman içindeki birikimine de bağlı olduğundan alan çizgisiyle çakışmak zorunda değildir; III yanlıştır.

Cevap: C

CEVAP VER

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz