বৈদ্যুতিক বিভব শক্তি

বৈদ্যুতিক বিভব শক্তি সম্পর্কিত প্রবন্ধ

এই বিষয়টি অধ্যয়ন করার আগে, প্রথমে কাজ, সংরক্ষণশীল বল, বিভব শক্তির সাথে সংরক্ষণশীল বলের সম্পর্ক , বৈদ্যুতিক বল এবং বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র সম্পর্কে বুঝুন।

বৈদ্যুতিক বল হলো সংরক্ষণশীল বল

মহাকর্ষ বল এবং স্প্রিং বল ছাড়াও, সংরক্ষণশীল বলের আরেকটি উদাহরণ হলো তড়িৎ বল। তড়িৎ বলকে কেন সংরক্ষণশীল বল বলা হয়, তা আরও ভালোভাবে বোঝার জন্য নিচের ব্যাখ্যাটি বুঝুন।

ধরা যাক, চিত্রে দেখানো অনুযায়ী দুটি তড়িৎ-আধানযুক্ত পাত আছে; বাম দিকের পাতটি ধনাত্মক আধানযুক্ত এবং ডান দিকের পাতটি ঋণাত্মক আধানযুক্ত। পাত দুটির মাঝের তীরচিহ্নটি হলো তড়িৎ ক্ষেত্ররেখা, যা ধনাত্মক আধান থেকে ঋণাত্মক আধানের দিকে নির্গত হয়। একটি ধনাত্মক আধান একটি ধনাত্মক তড়িৎ-আধানযুক্ত পাতের নিকটবর্তী।

তড়িৎ ক্ষেত্রের উপস্থিতির কারণে ধনাত্মক আধানটি ক্ষেত্রের দিকে তড়িৎ বল অনুভব করে, যার ফলে ধনাত্মক আধানটি ডানদিকে ঋণাত্মক আধানযুক্ত পাতের দিকে ত্বরান্বিত হয়। তড়িৎ বলের দিকটি ডানদিকে, অর্থাৎ আধানের গতির দিকে, যার ফলে তড়িৎ বলটি আধানটির উপর একটি ধনাত্মক কাজ সম্পাদন করে। গাণিতিকভাবে, ধনাত্মক আধানের উপর তড়িৎ বল দ্বারা কৃত কাজ হলো W = F d = q E d, যেখানে W = কৃত কাজ, F = তড়িৎ বল, d = দুটি পাতের মধ্যবর্তী দূরত্ব, q = ধনাত্মক আধান, E = তড়িৎ ক্ষেত্র।

ঋণাত্মকভাবে আহিত পাতের কাছে পৌঁছানোর পর, যদি ধনাত্মক আধানকে তার মূল অবস্থানে ফিরিয়ে আনতে হয়, তবে একটি বাহ্যিক বলের প্রয়োজন হয়। যখন ধনাত্মক আধানটিকে বাম দিকে ধনাত্মকভাবে আহিত পাতের দিকে সরানো হয়, তখন তড়িৎ বল ডান দিকে নির্দেশিত থাকে, ফলে তড়িৎ বল আধানটির উপর একটি ঋণাত্মক কাজ করে। গাণিতিকভাবে, ধনাত্মক আধানের উপর তড়িৎ বল দ্বারা কৃত কাজ হলো W = – F d = – q E d।

যখন ধনাত্মক আধানটি প্রথমে ডানদিকে যায় এবং তারপর আবার বামদিকে গিয়ে তার মূল অবস্থানে ফিরে আসে, তখন তড়িৎ বল দ্বারা আধানটির উপর কৃত মোট কাজ হলো W = q E d – q E d = 0। যদি কোনো বস্তু তার মূল অবস্থান থেকে সরে গিয়ে আবার মূল অবস্থানে ফিরে আসার সময় বল দ্বারা কৃত মোট কাজ শূন্য হয়, তবে বলটি একটি সংরক্ষণশীল বল। উপরোক্ত ব্যাখ্যার ভিত্তিতে এই সিদ্ধান্তে আসা যায় যে, তড়িৎ বল একটি সংরক্ষণশীল বল।

বৈদ্যুতিক বল এবং বৈদ্যুতিক বিভব শক্তি

সংরক্ষণশীল বল দ্বারা কৃত কাজ বিভব শক্তির পরিবর্তনের সাথে সম্পর্কিত। উদাহরণস্বরূপ, কোনো ভরযুক্ত বস্তুর উপর মহাকর্ষ বল দ্বারা কৃত কাজ ঐ ভরযুক্ত বস্তুটির মহাকর্ষীয় বিভব শক্তির পরিবর্তন ঘটায়। একইভাবে, কোনো তড়িৎ আধানের উপর তড়িৎ বল দ্বারা কৃত কাজ ঐ আধানের তড়িৎ বিভব শক্তির পরিবর্তন ঘটায়।

সমসত্ত্ব তড়িৎ ক্ষেত্রে ধনাত্মক আধান

নিচের দুটি চিত্রে সংরক্ষণশীল বল দ্বারা কৃত কাজের উদাহরণ দেখানো হয়েছে, যা বিভব শক্তির পরিবর্তন ঘটায়। মহাকর্ষ বল দ্বারা কৃত কাজ এবং মহাকর্ষীয় বিভব শক্তির পরিবর্তনের ব্যাখ্যাটি একটি তুলনা হিসেবে ব্যবহৃত হয়েছে।

তড়িৎ বল দ্বারা কৃত কাজ এবং তড়িৎ বিভব শক্তির পরিবর্তন অনুধাবন সহজ করার জন্য।

বাম দিকের চিত্রটিতে একটি বস্তুকে ভূমির দিকে মুক্তভাবে পড়তে দেখানো হয়েছে। যখন বস্তুটি শীর্ষে থাকে, তখন এর মহাকর্ষীয় বিভব শক্তি সর্বোচ্চ থাকে। নিচে নামার সময়, বস্তুটির উপর মহাকর্ষীয় বল কাজ করে। মহাকর্ষীয় বলের দিকটি বস্তুটির গতির দিকের (অর্থাৎ নিচের দিকে) সাথে একই থাকে, ফলে মহাকর্ষীয় বল ধনাত্মক কাজ করে। ত্বরণের সাথে নিচে নামার সময়, বস্তুটির উচ্চতা কমে যায়, ফলে বস্তুটির মহাকর্ষীয় বিভব শক্তিও কমে যায়। ভূমিতে পৌঁছানোর সময়, মহাকর্ষীয় বিভব শক্তি সর্বনিম্ন হয়। এই সিদ্ধান্তে আসা যায় যে, বস্তুটির উপর মহাকর্ষীয় বল দ্বারা কৃত ধনাত্মক কাজ বস্তুটির মহাকর্ষীয় বিভব শক্তি হ্রাস করে। মহাকর্ষীয় বিভব শক্তি নষ্ট হয় না, বরং তা গতিশক্তিতে রূপান্তরিত হয়, যা নিচে নামার সময় বস্তুটির গতি বৃদ্ধির মাধ্যমে নির্দেশিত হয়।

ডানদিকের চিত্রে ধনাত্মক চার্জযুক্ত পাতের কাছে থাকা ধনাত্মক চার্জটি দেখানো হয়েছে। একটি ধনাত্মক চার্জযুক্ত পাতের কাছে থাকলে বৈদ্যুতিক বিভব শক্তির মান সর্বোচ্চ হয়। দুটি পাতের মধ্যে বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের উপস্থিতির কারণে বৈদ্যুতিক বলের প্রভাবে চার্জটি ধনাত্মক চার্জযুক্ত পাত থেকে ঋণাত্মক চার্জযুক্ত পাতের দিকে ত্বরান্বিত হয়। যখন চার্জটি ডানদিকে সরে যায়, তখন বৈদ্যুতিক বলও চার্জের ডানদিকে সরণের দিকে কাজ করে, ফলে বৈদ্যুতিক বল ধনাত্মক কাজ সম্পন্ন করে। ডানদিকে যাওয়ার সময় চার্জের গতিশক্তি বৃদ্ধি পায় এবং বৈদ্যুতিক বিভব শক্তি হ্রাস পায়।

ঋণাত্মক আধানযুক্ত পাতের কাছে পৌঁছালে, বৈদ্যুতিক বিভব শক্তির মান সর্বনিম্ন হয়। এ থেকে এই সিদ্ধান্তে আসা যায় যে, আধানের উপর বৈদ্যুতিক বল দ্বারা কৃত ধনাত্মক কাজ আধানটির বৈদ্যুতিক বিভব শক্তি হ্রাস করে। বিপরীতক্রমে, যদি ধনাত্মক আধানটিকে তার মূল অবস্থানে ফিরিয়ে আনা হয়, তবে আধানটির গতির দিক বাম দিকে পরিবর্তিত হয়, যা ডানদিকে ক্রিয়াশীল বৈদ্যুতিক বলের বিপরীত। এই বিপরীত গতির কারণে, বৈদ্যুতিক বল ধনাত্মক আধানের উপর একটি ঋণাত্মক কাজ করে। বাম দিকে যাওয়ার সময়, বৈদ্যুতিক বিভব শক্তি বৃদ্ধি পায়। সুতরাং, এ থেকে এই সিদ্ধান্তে আসা যায় যে, আধানের উপর বৈদ্যুতিক বল দ্বারা কৃত ঋণাত্মক কাজ আধানটির বৈদ্যুতিক বিভব শক্তি বৃদ্ধি করে।

সমসত্ত্ব বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রে ঋণাত্মক চার্জ

ধনাত্মক আধানের বিপরীতে, ঋণাত্মক আধানের ক্ষেত্রে ঋণাত্মক আধান প্লেটের কাছে এর বৈদ্যুতিক বিভব শক্তি সর্বোচ্চ এবং ধনাত্মক আধান প্লেটের কাছে সর্বনিম্ন হয়। স্বাভাবিকভাবেই, বৈদ্যুতিক আধান উচ্চ বিভব থেকে নিম্ন বিভবের দিকে যায়, তাই ঋণাত্মক আধানও ঋণাত্মক আধান প্লেট থেকে ধনাত্মক আধান প্লেটের দিকে যায়। ঋণাত্মক আধানের সরণের দিক বাম দিকে, অন্যদিকে বৈদ্যুতিক বলের দিক ডান দিকে, ফলে বৈদ্যুতিক বল ঋণাত্মক কাজ করে। বাম দিকে যাওয়ার সময় ঋণাত্মক আধানের বৈদ্যুতিক বিভব শক্তি হ্রাস পায় এবং ধনাত্মক আধান প্লেটের কাছে পৌঁছালে এর মান সর্বনিম্ন হয়। এই সিদ্ধান্তে আসা যায় যে, বৈদ্যুতিক বল দ্বারা কৃত ঋণাত্মক কাজ ঋণাত্মক আধানের বৈদ্যুতিক বিভব শক্তি হ্রাস করে। বৈদ্যুতিক বিভব শক্তি নষ্ট হয় না, বরং গতিশক্তিতে রূপান্তরিত হয়, যার বৈশিষ্ট্য হলো ধনাত্মক আধান প্লেটের দিকে যাওয়ার সময় আধানের গতি বৃদ্ধি পাওয়া।

সমসত্ত্ব তড়িৎ ক্ষেত্রে বৈদ্যুতিক বিভব শক্তি

যখন কোনো আধান একটি নির্দিষ্ট অবস্থানে থাকে, তখন তার বৈদ্যুতিক বিভব শক্তির মান জানা যায় না। কিন্তু যদি আধানটি এক স্থান থেকে অন্য স্থানে যায়, তবে আধানটির বৈদ্যুতিক বিভব শক্তির পরিবর্তন গণনা করা যায়। সুতরাং, বিভব শক্তির পরিবর্তনই এখানে অর্থবহ। যখন একটি ধনাত্মক আধান উচ্চ বিভব (ধনাত্মক আধানযুক্ত পাত) থেকে নিম্ন বিভবে (ঋণাত্মক আধানযুক্ত পাত) যায়, তখন বৈদ্যুতিক বিভব শক্তির পরিবর্তন (ΔEP) জানা যায়।

তুলনার জন্য, যখন আমটি তার বোঁটায় থাকে, তখন আমটির একটি মহাকর্ষীয় বিভব শক্তি থাকে, কিন্তু এর মান জানা যায় না। যদি মহাকর্ষীয় বলের প্রভাবে আমটিকে ভূমির দিকে ত্বরান্বিত করা হয়, তবে W = ΔEP = mgh সূত্রটি ব্যবহার করে গণনার মাধ্যমে আমটির মহাকর্ষীয় বিভব শক্তির পরিবর্তন জানা যেতে পারে।

যেখানে m = ভর, g = অভিকর্ষজ ত্বরণ, h = আম এবং ভূমির পৃষ্ঠের মধ্যবর্তী দূরত্ব।

একইভাবে, যখন বৈদ্যুতিক বল কোনো আধানকে এক বিন্দু থেকে অন্য বিন্দুতে ত্বরান্বিত করে, তখন সেই আধানের বৈদ্যুতিক বিভব শক্তির পরিবর্তন জানা যায়। পূর্বে যেমন ব্যাখ্যা করা হয়েছে, যদি ধনাত্মক আধানটি ধনাত্মক আধানযুক্ত পাত থেকে ঋণাত্মক আধানযুক্ত পাতের দিকে যায়,

বৈদ্যুতিক বিভব শক্তির পরিবর্তন W = ΔEP = q E d সূত্র ব্যবহার করে গণনা করা হয়, যেখানে q = বৈদ্যুতিক আধান, E = বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র এবং d = একটি স্থান থেকে অন্য স্থানের মধ্যবর্তী দূরত্ব। একইভাবে, যদি ঋণাত্মক আধানটি ঋণাত্মক আধানযুক্ত প্লেট থেকে ধনাত্মক আধানযুক্ত প্লেটে স্থানান্তরিত হয়, তবে ঋণাত্মক আধানের বৈদ্যুতিক বিভব শক্তির বৃদ্ধি W = ΔEP = q E d সূত্র ব্যবহার করে গণনা করা হয়।

দুটি বিন্দু আধানের বৈদ্যুতিক বিভব শক্তি

বৈদ্যুতিক বিভব শক্তির পরিবর্তন শুধুমাত্র একটি সমসত্ত্ব তড়িৎ ক্ষেত্রের আধানই অনুভব করে না, বরং একক তড়িৎ আধান দ্বারা উৎপন্ন তড়িৎ ক্ষেত্রও অনুভব করে। মনে করুন, একটি একক আধান Q আছে যা একটি তড়িৎ ক্ষেত্র উৎপন্ন করে এবং q আধানটি Q আধান থেকে r দূরত্বে অবস্থিত।

Q = বৈদ্যুতিক আধান যা বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র সৃষ্টি করে

q = আধান Q দ্বারা উৎপন্ন তড়িৎ ক্ষেত্রে স্থানান্তরিত তড়িৎ আধান

d = r = আধান Q থেকে আধান q-এর দূরত্ব।

যদি উভয় আধানের চিহ্ন একই হয়, অর্থাৎ + বা -, তাহলে আধান দুটি পরস্পরকে বিকর্ষণ করে বা একে অপরের থেকে দূরে থাকে, ফলে বিভব শক্তির পরিবর্তন ধনাত্মক হয় (বৈদ্যুতিক বিভব শক্তি বৃদ্ধি পায়)। এটি এমন একটি ভরযুক্ত বস্তুর মতো যা পৃথিবী থেকে উপরের দিকে সরে যায়, ফলে এর উচ্চতা এবং মহাকর্ষীয় বিভব শক্তি বৃদ্ধি পায়। বিপরীতক্রমে, যদি উভয় আধানের চিহ্ন একই না হয়, তাহলে আধান দুটি পরস্পরকে আকর্ষণ করে বা একে অপরের দিকে এগিয়ে আসে, ফলে বিভব শক্তির পরিবর্তন ঋণাত্মক হয় (বৈদ্যুতিক বিভব শক্তি হ্রাস পায়)। এটি এমন একটি ভরযুক্ত বস্তুর মতো যা পৃথিবীর পৃষ্ঠের দিকে নিচের দিকে নেমে আসে, ফলে এর উচ্চতা এবং মহাকর্ষীয় বিভব শক্তি হ্রাস পায়।

তড়িৎ বল একটি সংরক্ষণশীল বল, তাই আধান পথের আকৃতি তড়িৎ বিভব শক্তির পরিবর্তনকে প্রভাবিত করে না। তড়িৎ বিভব শক্তির পরিবর্তনের মানকে যা প্রভাবিত করে, তা হলো আধানের প্রাথমিক অবস্থান এবং চূড়ান্ত অবস্থান।

পরবর্তী আলোচনায় বৈদ্যুতিক বিভব নিয়ে আলোচনা করা হবে, যা বৈদ্যুতিক বিভব শক্তির সাথে ঘনিষ্ঠভাবে সম্পর্কিত একটি ভৌত ​​রাশি।