Abans d'estudiar aquest tema, primer cal entendre mater no caluna física, estil conservador, càrrega elèctrica, Llei de Coulomb Dan camp elèctric.
La força elèctrica és una força conservativa
A més de la força gravitatòria i la força del ressort, un altre exemple de força conservativa és la força elèctrica. Per entendre millor per què la força elèctrica s'anomena força conservativa, llegiu l'explicació següent.
Suposem que hi ha dues plaques carregades elèctricament com es mostra a la imatge, la placa esquerra està carregada positivament i la placa dreta està carregada negativament.n negatiu. La fletxa entre ambdues plaques són línies de camp elèctric yang des d'una càrrega positiva cap a una càrrega negativa. Una càrrega positiva es troba a prop d'una placa carregada positivament.
La presència d'un camp elèctric provoca una càrrega positivaif experimenta una força elèctrica en la mateixa direcció que el camp elèctric, de manera que la càrrega positiva s'accelera a la dreta cap a la placa carregada negativament. La direcció de la força elèctrica és cap a la dreta, en la mateixa direcció que direcció del moviment càrrega, de manera que la força elèctrica fa un treball positiu sobre la càrrega. Matemàticament, el treball fet per la força elèctrica sobre una càrrega positiva és W = F s = q E s, don W = treball, F = força elèctrica, s = distància entre les dues plaques, q = càrrega positiva, E = camp elèctric.
Després d'arribar a prop de la placa carregada negativament, si càrrega positiva vullretornpot ser a la seva posició original prop placa carregada positivament llavors cal el teu estilsón Quan la càrrega és positiva mogut a l'esquerra cap a la placa carregada positivament, la força elèctrica roman dirigida cap a la dreta de manera que la força elèctrica fa un treball negatiu sobre la càrrega. Matemàticament, el treball realitzat per la força elèctrica sobre una càrrega positiva és W = – F s = – q E s.
Ul'esforç total exercit per la força elèctrica sobre una càrrega positiva, quan la càrrega es mou cap a la dreta, torna a moure's cap a l'esquerra fins a la seva posició original és W = q E s – q E s = 0. Si el treball total realitzat per una força sobre un objecte quan l'objecte s'allunya de la seva posició original i després torna a la seva posició original és igual a zero, aleshores la força és una força conservativa. Basant-nos en l'explicació anterior, es pot concloure que la força elèctrica és una força conservativa.
Força elèctrica i energia potencial elèctrica
El treball realitzat per una força conservativa està relacionat amb el canvi d'energia potencial. Per exemple, el treball realitzat per la força gravitatòria sobre una massa canvia l'energia potencial gravitatòria de la massa. De la mateixa manera, el treball realitzat per una força elèctrica sobre una càrrega elèctrica canvia l'energia potencial elèctrica de la càrrega.
Càrrega positiva en un camp elèctric homogeni
Les dues figures següents il·lustren exemples de treball realitzat per una força conservativa que provoca un canvi en l'energia potencial. Les explicacions del treball realitzat per la força gravitatòria i el canvi en l'energia potencial gravitatòria s'utilitzen com a comparació per facilitar la comprensió del treball realitzat per la força elèctrica i el canvi en l'energia potencial elèctrica.
La imatge de l'esquerra mostra un objecte caient. bebas cap a la superfície del terra. Quan un objecte es troba a una alçada, té la màxima energia potencial gravitatòria. Quan un objecte es mou cap avall, la força de la gravetat actua sobre ell. La direcció de la força gravitatòria és la mateixa que la direcció del desplaçament de l'objecte, és a dir, cap avall, de manera que la força gravitatòria fa un treball positiu. Quan un objecte accelera cap avall, la seva alçada disminueix, disminuint així la seva energia potencial gravitatòria. Quan està a punt d'arribar a terra, l'energia potencial gravitatòria està en el seu valor mínim. Es pot concloure que el treball positiu realitzat per la força gravitatòria sobre un objecte redueix l'energia potencial gravitatòria de l'objecte. L'energia potencial gravitatòria no es perd sinó que es converteix en energia cinètica, la qual cosa s'indica per l'augment de la velocitat de l'objecte quan es mou cap avall.
La imatge de la dreta mostra una càrrega positiva.f és a prop d'una placa carregada positivament. Quan és a prop d'una placa carregada positivament, l'energia potencial elèctrica de la càrrega és màxima. La presència d'un camp elèctric entre les dues plaques fa que la càrrega sigui accelerada per la força elèctrica de placa carregada positivament a placa carregada negativament. Quan la càrrega es mou cap a la dreta, força elèctrica també en la mateixa direcció que el desplaçament de càrrega és cap a la dreta, de manera que la força elèctrica fa un treball positiu. Mentre es mou a la dreta, l'energia cinètica de la càrrega augmenta mentre que l'energia potencial elèctrica disminueix. Quan arriba a prop de la placa carregada negativament, l'energia potencial elèctrica de la càrrega està en el seu valor mínim. Es pot concloure que el treball positiu realitzat per la força elèctrica sobre càrrega, reduint l'energia potencial elèctrica de la càrrega. Sal contrari, jika la càrrega positiva torna a la seva posició original aleshores la direcció de la transferència de càrrega és cap a l'esquerra, oposada a la direcció força elèctrica a la dretanCom que la força elèctrica és en la direcció oposada, fa un treball negatiu sobre la càrrega positiva. A mesura que es mou cap a l'esquerra, l'energia potencial elèctrica augmenta. Per tant, es pot concloure que el treball negatiu fet per la força elèctrica sobre la càrrega augmenta l'energia potencial elèctrica de la càrrega.
Càrrega negativa en un camp elèctric homogeni
A diferència de les càrregues positives, les càrregues negatives tenen una energia potencial elèctrica màxima quan són a prop d'una placa carregada negativament i una energia potencial elèctrica mínima quan són a prop d'una placa carregada positivament. Naturalment, les càrregues elèctriques es mouen naturalment d'un potencial alt a un potencial baix, de manera que les càrregues negatives també es mouen d'una placa carregada negativament a una placa carregada positivament. La direcció del moviment de la càrrega negativa és cap a l'esquerra, mentre que la direcció de la força elèctrica és cap a la dreta, de manera que la força elèctrica fa un treball negatiu. Quan es mou cap a l'esquerra, l'energia potencial elèctrica de la càrrega negativa disminueix i té un valor mínim quan la càrrega negativa arriba a prop de la placa carregada positivament. Es pot concloure que el treball negatiu realitzat per la força elèctrica redueix l'energia potencial elèctrica de la càrrega negativa. L'energia potencial elèctrica no es perd, sinó que es converteix en energia cinètica, cosa que s'indica per l'augment de la velocitat de la càrrega quan es mou cap a la placa carregada positivament.
Energia potencial elèctrica en un camp elèctric homogeni
L'energia potencial elèctrica d'una càrrega quan es troba en una posició determinada és desconeguda. Tanmateix, si la càrrega es mou d'un lloc a un altre, es pot determinar el canvi en la seva energia potencial elèctrica. Per tant, el que importa és el canvi d'energia potencial (ΔEP).
En comparació, quan un mango està sobre la seva tija, té energia potencial. gravetat però no es pot conèixer el seu valor. Si un mango s'accelera cap a terra per la força de la gravetat, aleshores disminució L'energia potencial gravitatòria d'un mango es pot determinar calculant-la utilitzant la fórmula W = ΔEP = mgh, on m = massa, g = acceleració deguda a la gravetat i h és la distància entre la tija del mango i la superfície del terra.
De la mateixa manera, el canvi en l'energia potencial elèctrica d'una càrrega es pot conèixer quan la càrrega s'accelera per una força elèctrica d'un punt a un altre. Com s'ha explicat anteriorment, si una càrrega positiva es mou d'una placa carregada positivament a una la placa està carregada negativament, aleshores disminució L'energia potencial elèctrica de la càrrega es calcula mitjançant la fórmula W = ΔEP = q E s, on q = càrrega elèctrica, E = camp elèctric i s és la distància entre les dues plaques o la distància entre un lloc i un altre. De la mateixa manera, si una càrrega negativa es mou d'una placa carregada negativament a una placa carregada positivament, aleshores augment L'energia potencial elèctrica d'una càrrega negativa es calcula mitjançant la fórmula W = ΔEP = q E s.
Energia potencial elèctrica de dues càrregues puntuals
Els canvis en l'energia potencial elèctrica no només els experimenten les càrregues en un camp elèctric homogeni, sinó també en el camp elèctric produït per una sola càrrega elèctrica. Suposem que hi ha una sola càrrega Q que produeix un camp elèctric i la càrrega q es troba a una distància r de la càrrega Q.
Informació: k (constant de Coulomb) = 9 x 109 Nm2/C2, Q = càrrega elèctrica que crea un camp elèctric, q = càrrega elèctrica que experimenta desplaçament en el camp elèctric generat per la càrrega Q, s = r = distància de la càrrega q a la càrrega Q.
Si ambdues càrregues tenen el mateix signe, + o –, aleshores les dues càrregues es repel·leixen o s'allunyen l'una de l'altra, de manera que el canvi d'energia potencial és positiu (l'energia potencial elèctrica augmenta). Això és similar a un objecte de massa que es mou cap amunt allunyant-se de la Terra, de manera que la seva alçada i la seva energia potencial gravitatòria augmenten. Per contra, si les dues càrregues tenen signes diferents, les dues càrregues s'atreuen o s'acosten l'una a l'altra, de manera que el canvi d'energia potencial és negatiu (l'energia potencial elèctrica disminueix). Això és similar a un objecte de massa que es mou cap avall cap a la Terra, de manera que la seva alçada i la seva energia potencial gravitatòria disminueixen.
La força elèctrica és una força conservativa, de manera que la forma del recorregut de la càrrega no té cap efecte sobre el canvi d'energia potencial elèctrica. El que sí que afecta el canvi d'energia potencial elèctrica són les posicions inicial i final de la càrrega.
En el següent tema es revisarà potencial elèctric, una magnitud física estretament relacionada amb energia potencial elèctrica.
