Elektromanyetik Teori · 2. Ünite: Elektrostatik

Elektrostatik Alanda İş ve Enerji

Elektrostatikte yükleri bir araya getirmek, aralarındaki Coulomb itmesine ya da çekmesine karşı iş yapmak demektir; bu iş, yük düzeninin elektrostatik potansiyel enerjisi (electrostatic potential energy) olarak depolanır. Bu konuda önce bir test yükünü taşımanın işini ($W = Q\,\Delta V$), ardından noktasal yük sisteminin enerjisini ($W = \tfrac{1}{2}\sum q_i V(\vec{r}_i)$) ve sürekli dağılımın enerjisini ($W = \tfrac{1}{2}\int \rho V\,d\tau$) elde edeceğiz. Gauss yasası ile enerjinin $w = \tfrac{1}{2}\varepsilon_0 E^2$ yoğunluğuyla alanın kendisine yazılabildiğini göstereceğiz; küre ve paralel plakalı kapasitör örnekleriyle "enerji nerede depolanır?" sorusunu tartışacağız.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Motivasyon: Bir Yük Düzenini Kurmanın Bedeli

  2. Bir Test Yükünü Hareket Ettirmenin İşi

  3. Noktasal Yük Sisteminin Enerjisi

  4. Çözümlü Örnek 1: Karenin Köşelerindeki Dört Yük

  5. Sürekli Yük Dağılımlarının Enerjisi

  6. Enerji Yoğunluğu: W = (ε₀/2) ∫ E² dτ

  7. Çözümlü Örnek 2: Düzgün Yüklü Kürenin Enerjisi

  8. Çözümlü Örnek 3: Paralel Plakalı Kapasitörün Enerjisi

  9. Enerji Nerede Depolanır? Yükte mi, Alanda mı?

  10. Özet Tablo ve Grafik Yorumu

  11. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  12. Bağlantılar ve Özet

Anahtar terimler

Elektrostatik Potansiyel Enerji (Electrostatic Potential Energy)
Bir yük düzenini sonsuz ayrılmış durumdan kurmak için dış etkenin yaptığı toplam iş $W$. Yük çiftlerinin etkileşimine aittir; konfigürasyonun fonksiyonudur, kurulum sırasından bağımsızdır.
Çiftler Toplamı (Pairwise Sum)
$W = \sum_{i<j} k q_i q_j / r_{ij}$; her yük çifti toplamda bir kez yer alır. $W = \tfrac{1}{2}\sum q_iV(\vec{r}_i)$ ile eşdeğerdir; $\tfrac{1}{2}$ çarpanı çift sayımı giderir.
Enerji Yoğunluğu (Energy Density)
Elektrik alanın birim hacimdeki enerjisi $w = \tfrac{1}{2}\varepsilon_0E^2$ ($\text{J/m}^3$). Her yerde sıfır ya da pozitiftir; toplam enerji bunun tüm uzaya integralidir.
Öz-Enerji (Self-Energy)
Bir yük dağılımının kendi parçalarının birbirini itmesinden gelen enerji. Sonlu hacimli dağılımlarda sonludur ($\tfrac{3}{5}kQ^2/R$ gibi); noktasal yükte $kq^2/0$ ile sonsuzdur ve $\tfrac{1}{2}\sum q_iV_i$ toplamında dışlanır.
Etkileşim Enerjisi (Interaction Energy)
İki dağılım arasındaki çapraz terim $W_{int} = \varepsilon_0\int\vec{E}_1\cdot\vec{E}_2\,d\tau = q_2V_1(\vec{r}_2)$. Enerjinin süperpozisyona uymamasının nedenidir ve aynı işaretli yüklerde pozitif, zıt işaretlilerde negatiftir.
Korunumlu Kuvvet (Conservative Force)
Yaptığı iş yoldan bağımsız olan kuvvet; elektrostatikte $\nabla\times\vec{E} = \vec{0}$ olduğundan Coulomb kuvveti korunumludur ve $W = Q\,\Delta V$ yoldan bağımsızdır.
Sığa (Capacitance)
$C = Q/V$; paralel plakalı kapasitörde $C = \varepsilon_0A/d$. Enerji $W = \tfrac{1}{2}CV^2 = \tfrac{1}{2}QV = Q^2/(2C)$ olarak yazılır.
Elektrostatik Basınç (Electrostatic Pressure)
Yüklü yüzeye etki eden birim alan başına kuvvet; iletken yüzeyde ve kapasitör plakasında $P = \sigma^2/(2\varepsilon_0) = \tfrac{1}{2}\varepsilon_0E^2$ olup enerji yoğunluğuna eşittir.
Dielektrik Dayanım (Dielectric Strength)
Yalıtkanın elektriksel kırılma yaşamadan taşıyabildiği en büyük alan. Hava için yaklaşık $3\times 10^{6}\ \text{V/m}$; bu değer birim hacimde depolanabilecek enerjiyi sınırlar.

Örnek soru

Boşlukta $q_1 = 3{,}0\ \text{nC}$ ve $q_2 = 6{,}0\ \text{nC}$ yükleri birbirinden $9{,}0\ \text{cm}$ uzaklıkta durmaktadır. Bu iki yükü sonsuz uzaklıktan getirip bu konuma yerleştirmek için gereken toplam dış iş nedir? ($k = 8{,}99\times 10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$)

  1. $-1{,}80\ \mu\text{J}$
  2. $0{,}90\ \mu\text{J}$
  3. $1{,}80\ \mu\text{J}$
  4. $3{,}60\ \mu\text{J}$
  5. $0{,}162\ \mu\text{J}$

Doğru cevap: C

Çözüm

Cevap: C
1. İlk yük boş uzayda hiçbir kuvvetle karşılaşmadan getirilir: $W_1 = 0$. İkinci yük, birincinin potansiyelinde getirilir: $W_2 = q_2\,V_1 = k\,q_1q_2/r$.
2. $W = \dfrac{(8{,}99\times 10^{9})(3\times 10^{-9})(6\times 10^{-9})}{0{,}090} = \dfrac{1{,}618\times 10^{-7}}{0{,}090} \approx 1{,}80\times 10^{-6}\ \text{J}$.
3. Yükler aynı işaretli olduğundan iş pozitiftir (itme kuvvetine karşı iş yapılır). $W = 1{,}80\ \mu\text{J}$.
Çeldiriciler: B şıkkı gereksiz bir $\tfrac{1}{2}$ ekler; $\tfrac{1}{2}\sum q_iV_i$ biçiminde zaten çift sayım giderilir ve sonuç aynı çıkar. E şıkkı $r$'ye bölmeyi unutur; A şıkkı işareti yanlış alır.

Elektromanyetik Teori: tüm konular