Artikel oor die elektriese potensiële energie
Voordat u hierdie onderwerp bestudeer, verstaan eers arbeid, die konserwatiewe kragte, die verhouding tussen die konserwatiewe kragte met potensiële energie , die elektriese kragte en die elektriese veld.
Elektriese krag is die konserwatiewe krag
Benewens die gravitasiekrag en veerkrag, is nog 'n voorbeeld van die konserwatiewe krag die elektriese krag. Om beter te verstaan waarom die elektriese krag die konserwatiewe krag genoem word, verstaan die volgende verduideliking.
Veronderstel daar is twee elektries gelaaide plate soos in die figuur getoon, die linkerplaat is positief gelaai en die regterplaat is negatief gelaai. Die pyltjie tussen die twee plate is die elektriese veldlyne wat uit die positiewe lading na die negatiewe lading kom. 'n Positiewe lading is naby 'n positief elektries gelaaide plaat.
Die teenwoordigheid van die elektriese veld veroorsaak dat die positiewe lading die elektriese krag in die rigting van die elektriese veld ervaar sodat die positiewe lading na regs versnel word na die negatief gelaaide plaat. Die rigting van die elektriese krag na regs, in die rigting van die beweging van die lading, sodat die elektriese krag 'n positiewe werk op die lading verrig. Wiskundig is die werk wat deur die elektriese krag op die positiewe lading verrig word, W = Fd = qEd, waar W = werk, F = die elektriese krag, d = afstand tussen die twee plate, q = positiewe lading, E = elektriese veld.
Nadat die positiewe lading naby die negatief gelaaide plaat aangekom het, is 'n eksterne krag nodig as die positiewe lading na sy oorspronklike posisie naby die negatief gelaaide plaat terugbeweeg moet word. Wanneer die positiewe lading na links na die positief gelaaide plaat beweeg word, bly die elektriese krag na regs gerig sodat die elektriese krag 'n negatiewe werk op die lading verrig. Wiskundig is die werk wat deur die elektriese krag op die positiewe lading verrig word W = – Fd = – q Ed.
Die totale werk wat deur die elektriese krag op die positiewe lading verrig word, wanneer die lading na regs beweeg en dan weer na links na sy oorspronklike posisie beweeg, is W = q E d – q E d = 0. As die netto werk deur die krag op die voorwerp verrig word, wanneer die voorwerp wegbeweeg van sy oorspronklike posisie en dan terugkeer na sy oorspronklike posisie, gelyk 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
Werk verrig deur die konserwatiewe kragte hou verband met veranderinge in die potensiële energie. Byvoorbeeld, die werk verrig deur die gravitasiekrag op 'n massa-voorwerp verander die gravitasie-potensiële energie van die massa-voorwerp. Net so verander die werk verrig deur die elektriese krag in 'n elektriese lading die elektriese potensiële energie van die lading.
Die positiewe lading in die homogene elektriese veld
Die twee beelde hieronder illustreer voorbeelde van werk wat deur die konserwatiewe kragte verrig word wat veranderinge in die potensiële energie veroorsaak. 'n Verduideliking van die werk wat deur die swaartekrag verrig word en die veranderinge in die gravitasiepotensiële energie word as 'n vergelyking gebruik.
om begrip van die werk wat deur die elektriese krag verrig word en die veranderinge in die elektriese potensiële energie te vergemaklik.
Die beeld aan die linkerkant wys 'n voorwerp wat vrylik na die grondoppervlak val. Wanneer dit bo is, het voorwerpe maksimum gravitasie-potensiële energie. Wanneer dit afwaarts beweeg, werk die gravitasiekrag op die voorwerp in. Die rigting van die gravitasiekrag is dieselfde as die bewegingsrigting van die voorwerp wat afwaarts is, sodat die gravitasiekrag positiewe werk verrig. Wanneer dit afwaarts versnel word, neem die hoogte van die voorwerp af sodat die gravitasie-potensiële energie van die voorwerp afneem. Wanneer dit die grond bereik, is die gravitasie-potensiële energie minimaal. Daar kan afgelei word dat positiewe werk wat deur die gravitasiekrag op die voorwerp verrig word, die gravitasie-potensiële energie van die voorwerp verminder. Die gravitasie-potensiële energie gaan nie verlore nie, maar verander in kinetiese energie, wat aangedui word deur die toename in die spoed van die voorwerp wanneer dit afwaarts beweeg.
Die figuur regs toon die positiewe lading naby die positief gelaaide plaat. Wanneer dit naby 'n positief gelaaide plaat is, het die elektriese potensiële energie die maksimum waarde. Die teenwoordigheid van 'n elektriese veld tussen die twee plate veroorsaak dat die lading deur die elektriese krag van die positief gelaaide plaat na die negatief gelaaide plaat versnel word. Wanneer die lading na regs beweeg, is die elektriese krag ook in die rigting van die ladingverplasing na regs, sodat die elektriese krag positiewe werk verrig. Tydens die beweging na regs neem die kinetiese energie van die lading toe terwyl die elektriese potensiële energie afneem.
By aankoms naby die plaat met 'n negatiewe lading, het die potensiële elektriese energie die minimum waarde. Daar kan afgelei word dat die positiewe werk wat deur die elektriese krag op die lading verrig word, die elektriese potensiële energie van die lading verminder. Omgekeerd, as die positiewe lading terugbeweeg word na sy oorspronklike posisie, verander die rigting van die lading na links, teenoor die rigting van die elektriese krag na regs. As gevolg van die teenoorgestelde rigting, verrig die elektriese krag 'n negatiewe werk op die positiewe lading. Wanneer dit na links beweeg, neem die elektriese potensiële energie toe. Dus 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 die homogene elektriese veld
Anders as die positiewe lading, het die negatiewe lading die maksimum elektriese potensiële energie wanneer dit naby die negatief gelaaide plaat is en die minimum elektriese potensiële energie wanneer dit naby die positief gelaaide plaat is. Natuurlik beweeg die elektriese lading van hoë potensiaal na lae potensiaal, dus beweeg die negatiewe lading ook van die negatief gelaaide plaat na die positief gelaaide plaat. Die rigting van verplasing van die negatiewe lading is na links, terwyl die rigting van die elektriese krag na regs is, sodat die elektriese krag negatiewe werk verrig. Wanneer na links beweeg word, neem die elektriese potensiële energie van die negatiewe lading af en het '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 verander in kinetiese energie wat gekenmerk word deur die spoed van die lading te verhoog wanneer dit na die positief gelaaide plaat beweeg.
Elektriese potensiële energie in die homogene elektriese veld
Die elektriese potensiële energie van 'n lading wanneer die lading in 'n sekere posisie is, die waarde daarvan kan nie bekend wees nie. Maar as die lading van een plek na 'n ander beweeg, kan die verandering in die elektriese potensiële energie van die lading bereken word. Dus, wat betekenisvol is, is die verandering in potensiële energie. Die veranderinge in elektriese potensiële energie (ΔEP) kan bekend wees wanneer die positiewe lading van die hoë potensiaal (positief gelaaide plaat) na die lae potensiaal (negatief gelaaide plaat) beweeg.
Ter vergelyking, wanneer die mango op sy stam is, het die mango gravitasiepotensiële energie, maar die waarde daarvan kan nie bekend wees nie. As die mangovrug deur gravitasiekrag na die grond versnel word, kan die verandering van die gravitasiepotensiële energie van die mango bekend wees deur berekening met behulp van die formule W = ΔEP = mgh,
waar m = massa, g = gravitasieversnelling, h = die afstand tussen die mango en die oppervlak van die grond.
Net so kan die veranderinge in die elektriese potensiële energie van 'n lading bekend wees wanneer die elektriese krag die lading van een punt na 'n ander versnel. Soos voorheen verduidelik, as die positiewe lading van die positief gelaaide plaat na die negatief gelaaide plaat beweeg,
Die verandering van die elektriese potensiële energie word bereken met behulp van die formule W = ΔEP = q E d, waar q = die elektriese lading, E = die elektriese veld en d = die afstand tussen 'n plek en 'n ander plek. Net so, as die negatiewe lading van die negatief gelaaide plaat na die positief gelaaide plaat beweeg, word die toename in die elektriese potensiële energie van die negatiewe lading bereken met behulp van die formule W = ΔEP = q E d.
Die elektriese potensiële energie van die twee puntladings
Die veranderinge in elektriese potensiële energie word nie net deur die lading in 'n homogene elektriese veld ervaar nie, maar ook deur die elektriese veld wat deur die enkele elektriese lading geproduseer word. Veronderstel daar is 'n enkele lading Q wat 'n elektriese veld produseer en 'n lading van q het 'n afstand van r vanaf die lading Q.
Q = elektriese lading wat 'n elektriese veld veroorsaak
q = elektriese lading wat verplaas word in die elektriese veld wat deur die lading Q geproduseer word
d = r = afstand van lading q vanaf lading Q.
As beide ladings dieselfde teken, + of -, het, dan stoot die twee ladings mekaar af of bly hulle weg van mekaar sodat die veranderinge in potensiële energie positief is (elektriese potensiële energie neem toe). Dit is soos 'n massavoorwerp wat opwaarts weg van die aarde beweeg sodat sy hoogte en die gravitasiepotensiële energie toeneem. Omgekeerd, as die teken van beide ladings nie dieselfde is nie, trek die twee ladings mekaar of nader mekaar sodat die verandering in potensiële energie negatief is (die elektriese potensiële energie word verminder). Dit is soos 'n massavoorwerp wat afwaarts beweeg en die oppervlak van die aarde nader sodat sy hoogte en die gravitasiepotensiële energie verminder word.
Elektriese krag is 'n konserwatiewe krag, daarom beïnvloed die vorm van die ladingspad nie die veranderinge in die elektriese potensiële energie nie. Wat die waarde van die veranderinge in die elektriese potensiële energie beïnvloed, is die aanvanklike posisie en die finale posisie van die lading.
In die volgende onderwerp sal daar bestudeer word oor die elektriese potensiaal, fisiese hoeveelhede wat sterk verband hou met die elektriese potensiële energie.
