Prije proučavanja ove teme, prvo se upoznajte s gradivom o fizici , konzervativnim silama , električnom naboju , Coulombovom zakonu i električnim poljima.
Električna sila je konzervativna sila
Pored gravitacijske sile i sile opruge, još jedan primjer konzervativne sile je električna sila. Da biste bolje razumjeli zašto se električna sila naziva konzervativnom silom, pročitajte sljedeće objašnjenje.
Pretpostavimo da postoje dvije električno nabijene ploče kao što je prikazano na slici, lijeva ploča je pozitivno nabijena, a desna negativno.n negativno. Strelica između obje ploče su linije električnog polja yang iz pozitivnog prema negativnom naboju. Pozitivan naboj se nalazi blizu pozitivno nabijene ploče.
Prisustvo električnog polja uzrokuje da pozitivno naelektrisanje osjeti električnu silu u istom smjeru kao i električno polje, tako da se pozitivno naelektrisanje ubrzava udesno prema negativno naelektrisanoj ploči. Smjer električne sile je udesno, u istom smjeru kao i smjer kretanja naelektrisanja, tako da električna sila vrši pozitivan rad na naelektrisanju. Matematički, rad koji električna sila vrši na pozitivnom naelektrisanju je W = Fs = q Es, gdje je W = rad, F = električna sila, s = udaljenost između dvije ploče, q = pozitivno naelektrisanje, E = električno polje.
Nakon dolaska u blizinu negativno naelektrisane ploče, ako pozitivnog naboja želimpovratakkan u prvobitni položaj blizu pozitivno naelektrisana ploča onda je tvoj stil potrebanar. Kada je naelektrisanje pozitivno pomjereno lijevo prema pozitivno naelektrisanoj ploči, električna sila ostaje usmjerena udesno tako da električna sila vrši negativni rad na naboju. Matematički, rad koji električna sila vrši na pozitivnom naboju je W = – F s = – q E s.
Ukupan rad koji električna sila izvrši na pozitivnom naboju, kada se naboj pomiče udesno, a zatim ponovo ulijevo u svoj prvobitni položaj, iznosi W = q E s – q E s = 0. Ako je ukupan rad sile na objektu, kada se objekt udalji od svog prvobitnog položaja, a zatim se vrati u prvobitni položaj, jednak nuli, onda je sila konzervativna sila. Na osnovu gornjeg objašnjenja, može se zaključiti da je električna sila konzervativna sila.
Električna sila i električna potencijalna energija
Rad koji izvrši konzervativna sila povezan je s promjenom potencijalne energije. Na primjer, rad koji gravitacijska sila izvrši na masi mijenja gravitacijsku potencijalnu energiju mase. Slično tome, rad koji izvrši električna sila na električnom naboju mijenja električnu potencijalnu energiju naboja.
Pozitivno naelektrisanje u homogenom električnom polju
Dvije slike ispod ilustruju primjere rada koji obavlja konzervativna sila koja uzrokuje promjenu potencijalne energije. Objašnjenja rada koji obavlja gravitacijska sila i promjene gravitacijske potencijalne energije koriste se kao poređenje kako bi se olakšalo razumijevanje rada koji obavlja električna sila i promjene električne potencijalne energije.
Slika s lijeve strane prikazuje padajući predmet. bebas prema površini tla. Kada se nalazi na visini, objekat ima maksimalnu gravitacionu potencijalnu energiju. Kada se objekat kreće prema dolje, na njega djeluje sila gravitacije. Smjer gravitacijske sile je isti kao i smjer pomjeranja objekta, naime prema dolje, tako da gravitacijska sila vrši pozitivan rad. Kada objekat ubrzava prema dolje, njegova visina se smanjuje, čime se smanjuje i njegova gravitacijska potencijalna energija. Kada je blizu tla, gravitacijska potencijalna energija je na svojoj minimalnoj vrijednosti. Može se zaključiti da pozitivan rad koji gravitacijska sila vrši na objektu smanjuje gravitacijsku potencijalnu energiju objekta. Gravitacijska potencijalna energija se ne gubi, već se pretvara u kinetičku energiju, što je naznačeno povećanjem brzine objekta pri kretanju prema dolje.
Slika s desne strane prikazuje pozitivno naelektrisanje.f je blizu pozitivno naelektrisane ploče. Kada je blizu pozitivno naelektrisane ploče, električna potencijalna energija naelektrisanja je na svom maksimumu. Prisustvo električnog polja između dvije ploče uzrokuje ubrzanje naelektrisanja električnom silom iz pozitivno naelektrisana ploča na negativno naelektrisanu ploču. Kada teret se pomiče udesno, električna sila također u istom smjeru kao Pomjeranje naboja je udesno, tako da električna sila obavlja pozitivan rad. Tokom kretanja desno, kinetička energija naboja se povećava, dok se električna potencijalna energija smanjuje. Kada se približi negativno naelektrisanoj ploči, električna potencijalna energija naelektrisanja je na svojoj minimalnoj vrijednosti. Može se zaključiti da je pozitivan rad koji električna sila vrši na teret, smanjujući električnu potencijalnu energiju naboja. Snaprotiv, ako pozitivno naelektrisanje se vraća u prvobitni položaj tada je smjer prijenosa naboja lijevo, suprotan smjeru električna sila udesnonBudući da je električna sila u suprotnom smjeru, ona vrši negativni rad na pozitivnom naboju. Kako se kreće ulijevo, električna potencijalna energija se povećava. Stoga se može zaključiti da negativni rad koji električna sila vrši na naboju povećava električnu potencijalnu energiju naboja.
Negativni naboj u homogenom električnom polju
Za razliku od pozitivnih naboja, negativni naboji imaju maksimalnu električnu potencijalnu energiju kada su blizu negativno nabijene ploče, a minimalnu električnu potencijalnu energiju kada su blizu pozitivno nabijene ploče. Prirodno, električni naboji se prirodno kreću od visokog ka niskom potencijalu, tako da se i negativni naboji kreću od negativno nabijene ploče prema pozitivno nabijenoj ploči. Smjer kretanja negativnog naboja je lijevo, dok je smjer električne sile desno, tako da električna sila vrši negativan rad. Pri kretanju ulijevo, električna potencijalna energija negativnog naboja se smanjuje i ima minimalnu vrijednost kada negativni naboj stigne blizu pozitivno nabijene ploče. Može se zaključiti da negativni rad koji vrši električna sila smanjuje električnu potencijalnu energiju negativnog naboja. Električna potencijalna energija se ne gubi, već se pretvara u kinetičku energiju, što je naznačeno povećanjem brzine naboja pri kretanju prema pozitivno nabijenoj ploči.
Električna potencijalna energija u homogenom električnom polju
Električna potencijalna energija naboja kada se nalazi u određenom položaju je nepoznata. Međutim, ako se naboj pomiče s jedne lokacije na drugu, promjena njegove električne potencijalne energije može se odrediti. Stoga je bitna promjena potencijalne energije (ΔEP).
Poređenja radi, kada mango leži na stabljici, ima gravitacijsku potencijalnu energiju, ali se njena vrijednost ne može znati. Ako se mango ubrzava prema tlu silom gravitacije, smanjenje gravitacijske potencijalne energije manga može se odrediti proračunima pomoću formule W = Δ EP = mgh, gdje je m = masa, g = gravitacijsko ubrzanje, h je udaljenost između stabljike manga i površine tla.
Slično tome, promjena električne potencijalne energije naboja može se znati kada se naboj ubrza električnom silom od jedne tačke do druge. Kao što je prethodno objašnjeno, ako se pozitivni naboj kreće s pozitivno nabijene ploče na negativno nabijenu ploču, smanjenje električne potencijalne energije naboja izračunava se pomoću formule W = ΔEP = q E s , gdje je q = električni naboj, E = električno polje i s je udaljenost između dvije ploče ili udaljenost između jednog mjesta i drugog. Slično tome, ako se negativni naboj kreće s negativno nabijene ploče na pozitivno nabijenu ploču, povećanje električne potencijalne energije negativnog naboja izračunava se pomoću formule W = ΔEP = q E s.
Električna potencijalna energija dva tačkasta naboja
Promjene u električnoj potencijalnoj energiji ne doživljavaju samo naboji u homogenom električnom polju, već i u električnom polju koje proizvodi jedan električni naboj. Pretpostavimo da postoji jedan naboj Q koji proizvodi električno polje i da se naboj q nalazi na udaljenosti r od naboja Q.
Informacije: k (Kulonova konstanta) = 9 x 109 Nm2/C2, Q = električni naboj koji stvara električno polje, q = električni naboj koji se pomjera u električnom polju generiranom nabojem Q, s = r = udaljenost naboja q od naboja Q.
Ako oba naboja imaju isti predznak, + ili –, tada se dva naboja odbijaju ili udaljavaju jedno od drugog tako da je promjena potencijalne energije pozitivna (električna potencijalna energija se povećava). Ovo je slično objektu mase koji se kreće prema gore od Zemlje tako da se njegova visina i gravitacijska potencijalna energija povećavaju. Obrnuto, ako dva naboja imaju različite predznake, dva naboja se privlače ili približavaju jedno drugom tako da je promjena potencijalne energije negativna (električna potencijalna energija se smanjuje). Ovo je slično objektu mase koji se kreće prema dolje prema Zemlji tako da se njegova visina i gravitacijska potencijalna energija smanjuju.
Električna sila je konzervativna sila, tako da oblik putanje naboja nema utjecaja na promjenu električne potencijalne energije. Ono što utječe na promjenu električne potencijalne energije su početni i konačni položaji naboja.
U sljedećoj temi, pregledat ćemo električni potencijal , fizičku veličinu koja je usko povezana s električnom potencijalnom energijom.
