गॉस का नियम

भौतिकी और विद्युत चुंबकत्व में, गॉस का नियम, जिसे गॉस के फ्लक्स प्रमेय के रूप में भी जाना जाता है, परिणामी विद्युत क्षेत्र में विद्युत आवेश के वितरण से संबंधित कानून होता है। अपने अभिन्न रूप में, यह बताता है कि एक मनमाना बंद सतह से विद्युत क्षेत्र का प्रवाह सतह से घिरे विद्युत आवेश के समानुपाती होता है। यदि अकेले कानून किसी भी चार्ज वितरण को घेरने वाली सतह पर विद्युत के क्षेत्र को निर्धारित करने के लिए अपर्याप्त होता है, यह उन स्थितियों में संभव हो सकता है जहां समरूपता क्षेत्र की एकरूपता को अनिवार्य करती है। जहाँ ऐसी कोई समरूपता उपस्थित नही होती है, गॉस के नियम का उपयोग इसके विभेदक रूप में किया जा सकता है, जो बताता है कि विद्युत क्षेत्र का विचलन आवेश के स्थानीय घनत्व के समानुपाती होता है।

कानून पहले 1773 में जोसेफ-लुई लाग्रेंज द्वारा तैयार किया गया था, 1835 में कार्ल फ्रेडरिक गॉस द्वारा पीछा किया गया था, दोनों दीर्घवृत्त के आकर्षण के संदर्भ में तैयार किया गया था। यह मैक्सवेल के समीकरणों में से एक है, जो मौलिक इलेक्ट्रोडायनामिक्स का आधार बनाता है। गॉस के नियम का उपयोग कूलम्ब के नियम को प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है।

गुणात्मक वर्णन
शब्दों में, गॉस का नियम कहता है:
 * किसी भी काल्पनिक बंद सतह के माध्यम से शुद्ध विद्युत प्रवाह बराबर होता है $1/ε_{0}$ उस बंद सतह के भीतर संलग्न शुद्ध विद्युत आवेश का गुना होता है। बंद सतह को गॉसियन सतह भी कहा जाता है।

गॉस के कानून में भौतिकी के अन्य क्षेत्रों में कई कानूनों के साथ एक करीबी गणितीय समानता होती है, जैसे चुंबकत्व के लिए गॉस का नियम और गुरुत्वाकर्षण के लिए गॉस का नियम होता है। वास्तव में, किसी भी व्युत्क्रम-वर्ग कानून को गॉस के नियम के समान विधिया से तैयार किया जा सकता है: उदाहरण के लिए, गॉस का नियम अनिवार्य रूप से कूलम्ब के नियम के बराबर होता है, और गुरुत्वाकर्षण के लिए गॉस का नियम अनिवार्य रूप से न्यूटन के गुरुत्वाकर्षण के नियम के बराबर होता है, दोनों जो व्युत्क्रम-वर्ग कानून होते है।

समाकलन गणित और अंतर कलन में वेक्टर का उपयोग करके कानून को गणितीय रूप से व्यक्त किया जा सकता है, दोनों समतुल्य होते है क्योंकि वे विचलन प्रमेय द्वारा संबंधित होते है, जिसे गॉस प्रमेय भी कहा जाता है। इन रूपों में से प्रत्येक को बदले में दो विधियों से भी व्यक्त किया जा सकता है: विद्युत क्षेत्र के बीच संबंध के संदर्भ में $E$ और कुल विद्युत आवेश, या विद्युत विस्थापन क्षेत्र के संदर्भ में $D$ और निःशुल्क होता है।

सम्मलित समीकरण $E$ छेत्र
गॉस के नियम को या तो विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके बताया जा सकता है $E$ या विद्युत विस्थापन क्षेत्र $D$. यह खंड कुछ रूपों को दिखाता है $E$, के साथ प्रपत्र $D$ नीचे है, जैसा कि अन्य रूपों में है $E$.

अभिन्न रूप
गॉस के नियम को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है: $$\Phi_E = \frac{Q}{\varepsilon_0}$$जहाँ $Φ_{E}$ एक बंद सतह के माध्यम से विद्युत प्रवाह है $S$ किसी भी मात्रा को संलग्न करता है $V$, $Q$ भीतर संलग्न कुल विद्युत आवेश है $V$, और $ε_{0}$ विद्युत स्थिरांक है। विद्युत प्रवाह $Φ_{E}$ को विद्युत क्षेत्र के सतह अभिन्न के रूप में परिभाषित किया गया है:



जहाँ $E$ विद्युत क्षेत्र है, $dA$ एक वेक्टर है जो सतह के क्षेत्र के एक अतिसूक्ष्म तत्व का प्रतिनिधित्व करता है, और $dN$ दो वैक्टरों के डॉट उत्पाद का प्रतिनिधित्व करता है।

एक घुमावदार स्थान-समय में, एक बंद सतह के माध्यम से एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का प्रवाह व्यक्त किया जाता है



जहाँ $$c$$ प्रकाश की गति है, $$F^{\kappa 0}$$ विद्युत चुम्बकीय टेंसर के समय घटकों को दर्शाता है, $$g$$ मीट्रिक टेंसर का निर्धारक है, $$ \mathrm{d} S_\kappa = \mathrm{d} S^{ij} = \mathrm{d}x^i \mathrm{d}x^j $$ चार्ज के आस-पास द्वि-आयामी सतह का एक असामान्य तत्व है $$Q$$, सूचकांक $$ i,j,\kappa = 1,2,3$$ और एक दूसरे से मेल नहीं खाते।

चूंकि प्रवाह को विद्युत क्षेत्र के एक अभिन्न अंग के रूप में परिभाषित किया गया है, गॉस के नियम की इस अभिव्यक्ति को अभिन्न रूप कहा जाता है। ज्ञात क्षमता पर स्थापित सूचालकों से जुड़ी समस्याओं में, लाप्लास के समीकरण को या तो विश्लेषणात्मक या संख्यात्मक रूप से हल करके उनसे दूर की क्षमता प्राप्त की जाती है। विद्युत क्षेत्र की गणना क्षमता के नकारात्मक ढाल के रूप में की जाती है। गॉस का नियम विद्युत आवेश के वितरण को खोजना संभव बनाता है: सुचालक के किसी भी क्षेत्र में आवेश को विद्युत क्षेत्र को एकीकृत करके एक छोटे से बॉक्स के माध्यम से फ्लक्स का पता लगाने के लिए घटाया जा सकता है, जिसकी भुजाएँ सुचालक की सतह के लंबवत होती है और यह ध्यान में रखते हुए विद्युत क्षेत्र सतह के लंबवत है, और सुचालक के अंदर शून्य है।

विपरीत समस्या, जब विद्युत आवेश वितरण ज्ञात होता है और विद्युत क्षेत्र की गणना की जाती है, तो यह बहुत अधिक कठिन होता है। किसी दिए गए सतह के माध्यम से कुल प्रवाह विद्युत क्षेत्र के बारे में बहुत कम जानकारी देता है, और मनमाने ढंग से जटिल पैटर्न में सतह के अंदर और बाहर जा सकता है।

एक अपवाद तब होता है जब समस्या में कुछ समरूपता होती है, जो अनिवार्य करती है कि विद्युत क्षेत्र एक समान विधिया से सतह के माध्यम से निकलता है। तब, यदि कुल फ्लक्स ज्ञात होता है, तो प्रत्येक बिंदु पर क्षेत्र का अनुमान लगाया जा सकता है। समरूपता के सामान्य उदाहरण जो खुद को गॉस के नियम के लिए उधार देते है उनमें सम्मलित होते है: बेलनाकार समरूपता, तलीय समरूपता और गोलाकार समरूपता। उदाहरण के लिए गौसियन सतह लेख देखें जहां विद्युत क्षेत्रों की गणना करने के लिए इन समरूपताओं का शोषण किया जाता है।

विभेदक रूप
विचलन प्रमेय द्वारा, गॉस के नियम को वैकल्पिक रूप से विभेदक रूप में लिखा जा सकता है: $$\nabla \cdot \mathbf{E} = \frac{\rho}{\varepsilon_0 \varepsilon_r}$$ जहाँ $dR$ विद्युत क्षेत्र का विचलन है, $dA$ निर्वात पारगम्यता है, $$\varepsilon_r$$ सापेक्ष पारगम्यता है, और $$ वॉल्यूम चार्ज घनत्व (चार्ज प्रति यूनिट वॉल्यूम) है।

अभिन्न और विभेदक रूपों की समानता
विचलन प्रमेय द्वारा अभिन्न और अंतर रूप गणितीय रूप से समकक्ष होता है। यहाँ तर्क अधिक विशेष रूप से होता है।

$$

निःशुल्क, बाध्य और कुल शुल्क
सरल पाठ्यपुस्तक स्थितियों में उत्पन्न होने वाले विद्युत आवेश को मुक्त आवेश के रूप में वर्गीकृत किया जाता है - उदाहरण के लिए, स्थिर विद्युत में स्थानांतरित होने वाला आवेश, या संधारित्र प्लेट पर आवेश। इसके विपरीत, चार्ज केवल परावैद्युत (ध्रुवीय) सामग्री के संदर्भ में उत्पन्न होता है। (सभी सामग्री कुछ हद तक ध्रुवीकरण योग्य है।) जब ऐसी सामग्री को बाहरी विद्युत क्षेत्र में रखा जाता है, तो इलेक्ट्रॉन अपने संबंधित परमाणुओं से बंधे रहते है, लेकिन क्षेत्र की प्रतिक्रिया में एक सूक्ष्म दूरी बदलते है, जिससे कि वे एक तरफ अधिक होते है। ये सभी सूक्ष्म विस्थापन एक स्थूल शुद्ध आवेश वितरण देने के लिए जुड़ते है, और यह बाध्य आवेश का गठन करते है।

यद्यपि सूक्ष्मदर्शी रूप से सभी आवेश मौलिक रूप से समान होते है, फिर भी चार्ज को नि: शुल्क चार्ज से अलग मानने के लिए अधिकांशतः व्यावहारिक कारण होते है। परिणाम यह है कि अधिक मौलिक गॉस का नियम, के संदर्भ में $·$ (ऊपर), कभी-कभी नीचे समतुल्य रूप में रखा जाता है, जो कि के संदर्भ में है $∇ · E$ और केवल निःशुल्क होता है।

अभिन्न रूप
गॉस के नियम का यह सूत्रीकरण कुल आवेश रूप बताता है:

$$\Phi_D = Q_\mathrm{free}$$ जहाँ $ε_{0}$ विद्युत विस्थापन क्षेत्र है |$D$-क्षेत्र विद्युत प्रवाह एक सतह के माध्यम से $ρ$ जो वॉल्यूम संलग्न करता है $$, और $E$ नि: शुल्क शुल्क है जिसमें निहित है $S$. प्रवाह $D$ फ्लक्स के अनुरूप परिभाषित किया गया है $Φ_{D}$ विद्युत क्षेत्र का $D$ द्वारा $V$:



विभेदक रूप
गॉस के नियम का विभेदक रूप, जिसमें केवल निःशुल्क शुल्क सम्मलित होते है, कहता है: $$\nabla \cdot \mathbf{D} = \rho_\mathrm{free}$$ जहाँ $Q_{free}$ विद्युत विस्थापन क्षेत्र का विचलन है, और $Φ_{D}$ मुक्त विद्युत आवेश घनत्व है।

कुल और नि: शुल्क चार्ज वितरण की समानता
$V$

रैखिक सामग्री के लिए समीकरण
सजातीय, समदैशिक, फैलाव (प्रकाशिकी), रैखिक सामग्री के बीच एक सरल संबंध है $Φ_{E}$ और$E$:

$$\mathbf{D} = \varepsilon \mathbf{E} $$ जहाँ $S$ सामग्री की पारगम्यता है। खालीपन (उर्फ मुक्त स्थान ) के स्थिति में, $∇ · D$. इन परिस्थितियों में गॉस का नियम परिवर्तित हो जाता है

$$\Phi_E = \frac{Q_\mathrm{free}}{\varepsilon}$$ अभिन्न रूप के लिए है, और

$$\nabla \cdot \mathbf{E} = \frac{\rho_\mathrm{free}}{\varepsilon}$$ विभेदक रूप के लिए है।

बल के क्षेत्रों के संदर्भ में
गॉस के प्रमेय की व्याख्या क्षेत्र की बल रेखाओं के संदर्भ में निम्नानुसार की जा सकती है:

एक बंद सतह के माध्यम से प्रवाह सतह को भेदने वाली विद्युत क्षेत्र रेखाओं के परिमाण और दिशा दोनों पर निर्भर करता है। सामान्यतः एक सकारात्मक प्रवाह को इन रेखाओं द्वारा परिभाषित किया जाता है जो सतह को छोड़ते है और इस सतह में प्रवेश करने वाली रेखाओं द्वारा ऋणात्मक प्रवाह होते है। इसके परिणामस्वरूप धनात्मक आवेश उत्पन्न होते है जिससे धनात्मक प्रवाह होता है और ऋणात्मक आवेश ऋणात्मक प्रवाह बनाते है। ये विद्युत क्षेत्र रेखाएँ आवेश के स्रोत से दूरी के एक गुणक द्वारा ऊर्जा में घटते हुए अनंत तक विस्तारित होती है। किसी आवेश से निकलने वाली क्षेत्र रेखाओं की संख्या जितनी अधिक होती है, आवेश का परिमाण उतना ही अधिक होता है, और क्षेत्र रेखाएँ जितनी निकट होती है, विद्युत क्षेत्र का परिमाण उतना ही अधिक होता है। यह विद्युत क्षेत्र के कमजोर होने का स्वाभाविक परिणाम है क्योंकि एक आवेशित कण से दूर चला जाता है, लेकिन सतह क्षेत्र भी बढ़ जाता है जिससे इस कण से निकलने वाला शुद्ध विद्युत क्षेत्र समान रहता है। दूसरे शब्दों में, विद्युत क्षेत्र का बंद अभिन्न अंग और क्षेत्र के व्युत्पन्न का डॉट उत्पाद मुक्त स्थान की पारगम्यता से विभाजित शुद्ध आवेश के बराबर होता है।

कूलम्ब के नियम से गॉस के नियम की व्युत्पत्ति
गॉस का नियम केवल कूलम्ब के नियम से नहीं लिया जा सकता है, क्योंकि कूलम्ब का नियम किसी व्यक्ति के कारण विद्युत क्षेत्र देता है, केवल इलेक्ट्रोस्टैटिक चार्ज प्वाइंट चार्ज देता है। चूँकि, गॉस के नियम को कूलम्ब के नियम से सिद्ध किया जा सकता है यदि यह मान लिया जाता है, इसके अतिरिक्त, विद्युत क्षेत्र सुपरपोज़िशन सिद्धांत का पालन करता है। सुपरपोज़िशन सिद्धांत बताता है कि परिणामी क्षेत्र प्रत्येक कण (या अभिन्न, यदि स्थान में आवेशों को सुचारू रूप से वितरित किया जाता है) द्वारा उत्पन्न क्षेत्रों का सदिश योग होता है।

$$

चूँकि कूलम्ब का नियम केवल स्थिर आवेशों पर लागू होता है, इसलिए यह अपेक्षा करने का कोई कारण नहीं है कि गॉस का नियम केवल इस व्युत्पत्ति के आधार पर गतिमान आवेशों के लिए मान्य होता है। वास्तव में, गॉस का नियम गतिमान आवेशों के लिए मान्य होता है, और इस संबंध में गॉस का नियम कूलम्ब के नियम से अधिक सामान्य होता है।

$$

गॉस के नियम से कूलम्ब के नियम की व्युत्पत्ति
कूलम्ब का नियम केवल गॉस के नियम से प्राप्त नहीं किया जा सकता है, क्योंकि गॉस का नियम के कर्ल (गणित) के बारे में कोई जानकारी नहीं देता है। $ρ_{free}$ (देखें हेल्महोल्ट्ज़ अपघटन और फैराडे का प्रेरण का नियम | फैराडे का नियम)। चूँकि, कूलम्ब का नियम गॉस के नियम से सिद्ध किया जा सकता है, यदि यह मान लिया जाता है, इसके अतिरिक्त, एक बिंदु आवेश से विद्युत क्षेत्र गोलाकार रूप से सममित होता है (यह धारणा, कूलम्ब के नियम की तरह ही, बिल्कुल सही है यदि आवेश स्थिर है, और लगभग सत्य है यदि चार्ज गति में होता है)।

$ε$

यह भी देखें

 * इमेज चार्ज करने की विधि
 * प्वासों के समीकरण के लिए अद्वितीयता प्रमेय
 * स्टिग्लर के नियम के उदाहरणों की सूची

संदर्भ

 * Digital version
 * David J. Griffiths (6th ed.)

बाहरी संबंध

 * MIT Video Lecture Series (30 x 50 minute lectures)- Electricity and Magnetism Taught by Professor Walter Lewin.
 * section on Gauss's law in an online textbook
 * MISN-0-132 Gauss's Law for Spherical Symmetry (PDF file) by Peter Signell for Project PHYSNET.
 * MISN-0-133 Gauss's Law Applied to Cylindrical and Planar Charge Distributions (PDF file) by Peter Signell for Project PHYSNET.
 * MISN-0-133 Gauss's Law Applied to Cylindrical and Planar Charge Distributions (PDF file) by Peter Signell for Project PHYSNET.