Voordat u hierdie onderwerp bestudeer, verstaan eers die materiaal oor fisika , konserwatiewe kragte , elektriese lading , Coulomb se wet en elektriese velde.
Elektriese krag is 'n konserwatiewe krag
Behalwe gravitasiekrag en veerkrag, is nog 'n voorbeeld van 'n konserwatiewe krag die elektriese krag. Om beter te verstaan waarom die elektriese krag 'n konserwatiewe krag genoem word, lees die volgende verduideliking.
Veronderstel daar is twee elektries gelaaide plate soos in die prentjie getoon, die linkerplaat is positief gelaai en die regterplaat is negatief gelaai.n negatief. Die pyl tussen beide plate is elektriese veldlyne yang uit 'n positiewe lading na 'n negatiewe lading. 'n Positiewe lading is naby 'n positief gelaaide plaat.
Die teenwoordigheid van 'n elektriese veld veroorsaak dat 'n positiewe lading ' n elektriese krag in dieselfde rigting as die elektriese veld ervaar, sodat die positiewe lading na regs versnel word na die negatief gelaaide plaat. Die rigting van die elektriese krag is na regs, in dieselfde rigting as die bewegingsrigting van die lading, sodat die elektriese krag positiewe werk op die lading verrig. Wiskundig is die werk wat deur die elektriese krag op 'n positiewe lading verrig word, W = F s = q E s, waar W = werk, F = elektriese krag, s = afstand tussen die twee plate, q = positiewe lading, E = elektriese veld.
Nadat hy naby die negatief gelaaide plaat aangekom het, indien positiewe lading wilterugkan na sy oorspronklike posisie naby positief gelaaide plaat dan is jou styl nodigis Wanneer die lading positief is verskuif na links na die positief gelaaide plaat toe, bly die elektriese krag na regs gerig sodat die elektriese krag negatiewe werk op die lading verrig. Wiskundig is die werk wat deur die elektriese krag op 'n positiewe lading verrig word W = – F s = – q E s.
Die totale werk verrig deur die elektriese krag op 'n positiewe lading, wanneer die lading na regs beweeg en dan weer na links na sy oorspronklike posisie beweeg, is W = q E s – q E s = 0. As die totale werk verrig deur 'n krag op 'n voorwerp, wanneer die voorwerp wegbeweeg van sy oorspronklike posisie en dan terugkeer na sy oorspronklike posisie, gelyk is aan nul, dan is die krag 'n konserwatiewe krag. Gebaseer op die verduideliking hierbo, kan afgelei word dat die elektriese krag 'n konserwatiewe krag is.
Elektriese krag en elektriese potensiële energie
Die werk wat deur 'n konserwatiewe krag verrig word, hou verband met die verandering in potensiële energie. Byvoorbeeld, die werk wat deur die gravitasiekrag op 'n massa verrig word, verander die massa se gravitasiepotensiële energie. Net so verander die werk wat deur 'n elektriese krag op 'n elektriese lading verrig word, die lading se elektriese potensiële energie.
Positiewe lading in 'n homogene elektriese veld
Die twee figure hieronder illustreer voorbeelde van werk verrig deur 'n konserwatiewe krag wat 'n verandering in potensiële energie veroorsaak. Die verduidelikings van die werk verrig deur die gravitasiekrag en die verandering in gravitasiepotensiële energie word as 'n vergelyking gebruik om begrip van die werk verrig deur die elektriese krag en die verandering in elektriese potensiële energie te vergemaklik.
Die beeld aan die linkerkant wys 'n voorwerp wat val. bebas na die grondoppervlak toe. Wanneer 'n voorwerp op 'n hoogte is, het dit maksimum gravitasiepotensiële energie. Wanneer 'n voorwerp afwaarts beweeg, werk die swaartekrag daarop in. Die rigting van die swaartekrag is dieselfde as die rigting van die voorwerp se verplasing, naamlik afwaarts, dus verrig die swaartekrag positiewe werk. Wanneer 'n voorwerp afwaarts versnel, neem sy hoogte af, waardeur sy gravitasiepotensiële energie afneem. Wanneer dit op die punt staan om die grond te bereik, is die gravitasiepotensiële energie op sy minimum waarde. Daar kan afgelei word dat die positiewe arbeid wat deur die gravitasiekrag op 'n voorwerp verrig word, die gravitasiepotensiële energie van die voorwerp verminder. Gravitasiepotensiële energie gaan nie verlore nie, maar word omgeskakel in kinetiese energie, wat aangedui word deur die toenemende spoed van die voorwerp wanneer dit afwaarts beweeg.
Die beeld regs toon 'n positiewe lading.f is naby 'n positief gelaaide plaat. Wanneer dit naby 'n positief gelaaide plaat is, is die elektriese potensiële energie van die lading op sy maksimum. Die teenwoordigheid van 'n elektriese veld tussen die twee plate veroorsaak dat die lading versnel word deur die elektriese krag van positief gelaaide plaat na negatief gelaaide plaat. Wanneer die lading beweeg na regs, elektriese krag ook in dieselfde rigting as Die ladingverplasing is na regs, sodat die elektriese krag positiewe werk verrig. Terwyl jy beweeg na regs neem die kinetiese energie van die lading toe terwyl die elektriese potensiële energie afneem. Wanneer dit naby die negatief gelaaide plaat aankom, is die elektriese potensiële energie van die lading op sy minimum waarde. Daar kan afgelei word dat die positiewe arbeid wat deur die elektriese krag verrig word op vrag, wat die elektriese potensiële energie van die lading verminder. Sinteendeel, jika positiewe lading word teruggeskuif na sy oorspronklike posisie dan is die rigting van ladingoordrag na links, teenoorgesteld aan die rigting elektriese krag na regsnOmdat die elektriese krag in die teenoorgestelde rigting is, verrig dit negatiewe werk op die positiewe lading. Soos dit na links beweeg, neem die elektriese potensiële energie toe. Daarom kan afgelei word dat die negatiewe werk wat deur die elektriese krag op die lading verrig word, die elektriese potensiële energie van die lading verhoog.
Negatiewe lading in 'n homogene elektriese veld
Anders as positiewe ladings, het negatiewe ladings maksimum elektriese potensiële energie wanneer hulle naby 'n negatief gelaaide plaat is en minimum elektriese potensiële energie wanneer hulle naby 'n positief gelaaide plaat is. Natuurlik beweeg elektriese ladings natuurlik van hoë potensiaal na lae potensiaal, dus beweeg negatiewe ladings ook van 'n negatief gelaaide plaat na 'n positief gelaaide plaat. Die rigting van die negatiewe lading se beweging is na links, terwyl die rigting van die elektriese krag na regs is, dus verrig die elektriese krag negatiewe werk. Wanneer na links beweeg word, neem die elektriese potensiële energie van die negatiewe lading af en het dit 'n minimum waarde wanneer die negatiewe lading naby die positief gelaaide plaat aankom. Daar kan afgelei word dat die negatiewe werk wat deur die elektriese krag verrig word, die elektriese potensiële energie van die negatiewe lading verminder. Die elektriese potensiële energie gaan nie verlore nie, maar word omgeskakel in kinetiese energie, wat aangedui word deur die toenemende spoed van die lading wanneer dit na die positief gelaaide plaat beweeg.
Elektriese potensiële energie in 'n homogene elektriese veld
Die elektriese potensiële energie van 'n lading wanneer dit in 'n spesifieke posisie is, is onbekend. As die lading egter van een plek na 'n ander beweeg, kan die verandering in sy elektriese potensiële energie bepaal word. Daarom is die verandering in potensiële energie (ΔEP) wat saak maak.
Ter vergelyking, wanneer 'n mango op sy stam is, het dit gravitasiepotensiële energie, maar die waarde daarvan kan nie bekend wees nie. As die mango deur die krag van swaartekrag na die grond versnel word, kan die vermindering in die gravitasiepotensiële energie van die mango bepaal word deur berekeninge met behulp van die formule W = Δ EP = mgh, waar m = massa, g = gravitasieversnelling, h die afstand tussen die mango-stam en die grondoppervlak is.
Net so kan die verandering in die elektriese potensiële energie van 'n lading bekend wees wanneer die lading deur 'n elektriese krag van een punt na 'n ander versnel word. Soos voorheen verduidelik, as 'n positiewe lading van 'n positief gelaaide plaat na 'n negatief gelaaide plaat beweeg, word die afname in die elektriese potensiële energie van die lading bereken met behulp van die formule W = ΔEP = qEs, waar q = elektriese lading, E = elektriese veld en s die afstand tussen die twee plate of die afstand tussen een plek en 'n ander is. Net so, as 'n negatiewe lading van 'n negatief gelaaide plaat na 'n positief gelaaide plaat beweeg, word die toename in die elektriese potensiële energie van die negatiewe lading bereken met behulp van die formule W = ΔEP = qEs.
Elektriese potensiële energie van twee puntladings
Veranderinge in elektriese potensiële energie word nie net deur ladings in 'n homogene elektriese veld ervaar nie, maar ook in die elektriese veld wat deur 'n enkele elektriese lading geproduseer word. Veronderstel daar is 'n enkele lading Q wat 'n elektriese veld produseer en die lading q is op 'n afstand r van die lading Q.
Inligting: k (Coulomb se konstante) = 9 x 109 Nm2/C2, Q = elektriese lading wat 'n elektriese veld skep, q = elektriese lading wat verplasing ervaar in die elektriese veld wat deur lading Q gegenereer word, s = r = afstand van lading q vanaf lading Q.
As beide ladings dieselfde teken het, + of –, dan stoot die twee ladings mekaar af of beweeg hulle weg van mekaar sodat die verandering in potensiële energie positief is (elektriese potensiële energie neem toe). Dit is soortgelyk aan 'n massavoorwerp wat opwaarts weg van die aarde beweeg sodat sy hoogte en gravitasiepotensiële energie toeneem. Omgekeerd, as die twee ladings verskillende tekens het, trek die twee ladings mekaar aan of beweeg hulle nader aan mekaar sodat die verandering in potensiële energie negatief is (elektriese potensiële energie neem af). Dit is soortgelyk aan 'n massavoorwerp wat afwaarts na die aarde toe beweeg sodat sy hoogte en gravitasiepotensiële energie afneem.
Die elektriese krag is 'n konserwatiewe krag, dus het die vorm van die lading se pad geen effek op die verandering in elektriese potensiële energie nie. Wat wel die verandering in elektriese potensiële energie beïnvloed, is die aanvanklike en finale posisies van die lading.
In die volgende onderwerp sal ons elektriese potensiaal hersien , 'n fisiese hoeveelheid wat nou verwant is aan elektriese potensiële energie.
