Članak o električnoj potencijalnoj energiji
Prije proučavanja ove teme, prvo treba razumjeti rad, konzervativne sile, odnos između konzervativnih sila i potencijalne energije , električne sile i električno polje.
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, shvatite sljedeće objašnjenje.
Pretpostavimo da postoje dvije električno nabijene ploče kao što je prikazano na slici, lijeva ploča je pozitivno nabijena, a desna ploča negativno nabijena. Strelica između dvije ploče predstavlja linije električnog polja koje izlaze iz pozitivnog naboja prema negativnom naboju. Pozitivan naboj se nalazi blizu pozitivno nabijene ploče.
Prisustvo električnog polja uzrokuje da pozitivni naboj osjeti električnu silu u smjeru električnog polja, tako da se pozitivni naboj ubrzava udesno prema negativno nabijenoj ploči. Smjer električne sile je udesno, u smjeru kretanja naboja, tako da električna sila vrši pozitivan rad na naboju. Matematički, rad koji električna sila vrši na pozitivni naboj je W = F d = q E d, gdje je W = rad, F = električna sila, d = udaljenost između dvije ploče, q = pozitivni naboj, E = električno polje.
Nakon dolaska u blizinu negativno naelektrisane ploče, da bi se pozitivno naelektrisanje vratilo u prvobitni položaj blizu negativno naelektrisane ploče, potrebna je vanjska sila. Kada se pozitivno naelektrisanje pomjeri ulijevo prema pozitivno naelektrisanoj ploči, električna sila ostaje usmjerena udesno, tako da električna sila vrši negativni rad na naelektrisanju. Matematički, rad koji električna sila vrši na pozitivnom naelektrisanju je W = – F d = – q E d.
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 d – q E d = 0. Ako je neto rad koji izvrši sila na objektu, kada se objekt pomiče iz svog prvobitnog položaja, a zatim se vraća 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 obavljaju konzervativne sile povezan je s promjenama potencijalne energije. Na primjer, rad koji vrši gravitacijska sila na objektu mase mijenja gravitacijsku potencijalnu energiju objekta mase. Slično tome, rad koji vrši električna sila u električnom naboju mijenja električnu potencijalnu energiju naboja.
Pozitivno naelektrisanje u homogenom električnom polju
Dvije slike ispod ilustruju primjere rada koji obavljaju konzervativne sile koje uzrokuju promjene potencijalne energije. Objašnjenje rada koji obavlja sila gravitacije i promjena gravitacijske potencijalne energije koristi se kao poređenje.
kako bi se olakšalo razumijevanje rada koji obavlja električna sila i promjena električne potencijalne energije.
Slika lijevo prikazuje objekt koji slobodno pada prema površini tla. Kada su na vrhu, objekti imaju maksimalnu gravitacijsku potencijalnu energiju. Pri kretanju prema dolje, gravitacijska sila djeluje na objekt. Smjer gravitacijske sile isti je kao i smjer kretanja objekta koji je prema dolje, tako da gravitacijska sila vrši pozitivan rad. Pri ubrzanju prema dolje, visina objekta se smanjuje tako da se gravitacijska potencijalna energija objekta smanjuje. Pri dolasku na tlo, gravitacijska potencijalna energija je minimalna. 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 kada se kreće prema dolje.
Slika desno prikazuje pozitivno naelektrisanje u blizini pozitivno naelektrisane ploče. Kada je blizu pozitivno naelektrisane ploče, električna potencijalna energija ima maksimalnu vrijednost. Prisustvo električnog polja između dvije ploče uzrokuje ubrzanje naelektrisanja električnom silom od pozitivno naelektrisane ploče do negativno naelektrisane ploče. Kada se naelektrisanje kreće udesno, električna sila je također u smjeru pomjeranja naelektrisanja udesno, tako da električna sila vrši pozitivan rad. Tokom kretanja udesno, kinetička energija naelektrisanja se povećava, dok se električna potencijalna energija smanjuje.
Po dolasku u blizinu ploče s negativnim nabojem, potencijalna električna energija ima minimalnu vrijednost. Može se zaključiti da pozitivan rad koji električna sila vrši na naboj smanjuje električnu potencijalnu energiju naboja. Suprotno tome, ako se pozitivni naboj vrati u svoj prvobitni položaj, tada se smjer naboja mijenja ulijevo, suprotno od smjera električne sile udesno. Zbog suprotnog smjera, električna sila vrši negativni rad na pozitivnom naboju. Pri kretanju ulijevo, električna potencijalna energija se povećava. Dakle, može se zaključiti da negativni rad koji električna sila vrši na naboj povećava električnu potencijalnu energiju naboja.
Negativno naelektrisanje u homogenom električnom polju
Za razliku od pozitivnog naboja, negativni naboj ima maksimalnu električnu potencijalnu energiju kada je blizu negativno nabijene ploče, a minimalnu električnu potencijalnu energiju kada je blizu pozitivno nabijene ploče. Prirodno, električni naboj se kreće od visokog potencijala ka niskom potencijalu, tako da se i negativni naboj kreće od negativno nabijene ploče prema pozitivno nabijenoj ploči. Smjer pomjeranja negativnog naboja je lijevo, dok je smjer električne sile desno, tako da električna sila vrši negativni 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 koja se karakterizira povećanjem brzine naboja pri kretanju prema pozitivno nabijenoj ploči.
Električna potencijalna energija u homogenom električnom polju
Vrijednost električne potencijalne energije naboja ne može se znati kada se naboj nalazi u određenom položaju. Ali ako se naboj pomiče s jednog mjesta na drugo, može se izračunati promjena električne potencijalne energije naboja. Dakle, ono što je značajno je promjena potencijalne energije. Promjene električne potencijalne energije (ΔEP) mogu se znati kada se pozitivni naboj pomiče s visokog potencijala (pozitivno nabijena ploča) na niski potencijal (negativno nabijena ploča).
Poređenja radi, kada mango stoji na stabljici, ima gravitacijsku potencijalnu energiju, ali se njena vrijednost ne može znati. Ako se plod manga ubrza prema tlu gravitacijskom silom, promjena gravitacijske potencijalne energije manga može se saznati izračunavanjem pomoću formule W = ΔEP = mgh,
gdje je m = masa, g = gravitacijsko ubrzanje, h = udaljenost između manga i površine tla.
Slično tome, promjene električne potencijalne energije naboja mogu se znati kada električna sila ubrzava naboj od jedne tačke do druge. Kao što je prethodno objašnjeno, ako se pozitivni naboj kreće od pozitivno nabijene ploče do negativno nabijene ploče,
Promjena električne potencijalne energije izračunava se pomoću formule W = ΔEP = q E d, gdje je q = električni naboj, E = električno polje i d = udaljenost između jednog mjesta i drugog mjesta. Slično tome, ako se negativni naboj pomiče s negativno nabijene ploče na pozitivno nabijenu ploču, povećanje električne potencijalne energije negativnog naboja izračunava se pomoću formule W = ΔEP = q E d.
Električna potencijalna energija dva tačkasta naboja
Promjene u električnoj potencijalnoj energiji ne doživljava samo naboj u homogenom električnom polju, već i električno polje koje proizvodi jedan električni naboj. Pretpostavimo da postoji jedan naboj Q koji proizvodi električno polje i da je naboj q na udaljenosti r od naboja Q.
Q = električni naboj koji uzrokuje električno polje
q = električni naboj koji se pomjera u električnom polju koje proizvodi naboj Q
d = r = udaljenost naboja q od naboja Q.
Ako oba naboja imaju isti predznak, + ili -, tada se dva naboja odbijaju ili drže podalje jedno od drugog tako da su promjene potencijalne energije pozitivne (električna potencijalna energija se povećava). To je kao da se objekt mase kreće prema gore od Zemlje tako da se njegova visina i gravitacijska potencijalna energija povećavaju. Obrnuto, ako predznak oba naboja nije isti, dva naboja se privlače ili približavaju jedno drugom tako da je promjena potencijalne energije negativna (električna potencijalna energija se smanjuje). To je kao da se objekt mase kreće prema dolje i približava površini Zemlje tako da se njegova visina i gravitacijska potencijalna energija smanjuju.
Električna sila je konzervativna sila, stoga oblik putanje naboja ne utiče na promjene električne potencijalne energije. Ono što utiče na vrijednost promjena električne potencijalne energije je početni i konačni položaj naboja.
U sljedećoj temi će se proučavati električni potencijal, fizičke veličine koje su snažno povezane s električnom potencijalnom energijom.
