Električni pretok in Gaussove ploskve

Stolpični graf na levi kaže električni pretok, Φ skozi štiri Gaussove ploskve: zeleno, rdečo, oranžno in modro (položaj je podan v metrih, jakost električnega polja v N/As, pretok je podan v N m2/As). Ponovni zagon. Animacija prikazuje le dve dimenziji. Krogi, ki jih vidimo, so v bitstvu preseki krogel, kvadrati pa preseki kock. Električni pretok Φ je mera količine električnega polja na ploskvi. Gaussov zakon povezuje električni pretok z nabojem, ki ga obkroža (e) Gaussova ploskev:

 Φ = e/ε0                      in   Φ = ∫ E • dS = ∫ E cosθ dS

Pri tem je ε0 influenčna konstanta (8.85 x 10-12 As2/Vm2), E je električno polje, dS je delec površine, normalen na ploskev, θ je kot med vektorjem električnega polja in normalo na ploskev.

Opomba: V ameriški literaturi je to običajen zapis električnega pretoka. Pri nas smo navajeni nekoliko drugačne definicije, po kateri je    Φ = ε0E • dS in je enak vsoti nabojev, iz katerih izvirajo/poniknejo silnice. Razlika je le v influenčni konstanti ε0 in posledično v enotah.

Premikajmo Gaussovo ploskev. Kolikšen je električni pretok, ko ploskev obkroža točkasti naboj? Kolikšen je električni pretok, ko točkasti naboj ni znotraj Gaussove ploskve? Kako je to pri rdeči ploskvi? Glede na to, da je električni pretok zmnožek električnega polja in površine ploskve, zakaj nanj ne vpliva velikost ploskve? Dokler je točkasti naboj znotraj ploskve, je električni pretok vedno enak in je e/ε0. Ko pa je točkasti naboj izven ploskve, je električni pretok vedno enak nič. Opazimo, da lahko tako zeleno kot rdečo Gaussovo ploskev premikamo tako, da je naboj bodisi znotraj bodisi izven njih. Zato sta električna pretoka pri obeh tipih ploskev v ekvivalentnih primerih enaka. Električno polje pa lahko v obeh primerih ugotovimo le, če je naboj znotraj ploskve.

Oranžna ploskev ima drugačno simetrijo glede na točkasti naboj (in njeno električno polje). Zakaj pri oranžni ploskvi vidimo, da oblika ploskve ne vpliva na ugotovljen električni pretok? Zakaj pa je pomembno, ali smo naboj zajeli ali ne? Premaknimo ploskev v lego, ko je električni pretok enak nič. Ali je električno polje na površju kocke enako nič? Če ni nič, zakaj je potem električni pretok enak nič? Lahko pomislimo na električni pretok kot na tok električnega polja skozi neko ploskev (podobno, kot bi tekla tekočina). Kar je bila včasih analogija za električni preok volumski tok, mora v primeu, ko v kocki ni naboja, električno polje vanjo priti in jo tudi zapustiti. V kocki tedaj ni nobenega vira električnega polja. Seveda pa kocka nima več krogelne simetrije glede na točkasti naboj. Ko je po tem scenariju pretok enak nič, z njegovo vrednostjo ne moremo več ugotavljati električnega polja. Integral ∫ E cosθ dS  ni enak integralu E ∫ cosθ dS, ker E ni konstanten vzdolž Gaussove ploskve.

Končno si poglejmo dva naboja z modro ploskvijo. Kaj se zgodi, če modra ploskev obkroža natančno en naboj? In kaj se zgodi, če obkroža oba naboja?