Prima di studià stu tema, capite prima u materiale nantu à a fisica , e forze cunservative , a carica elettrica , a lege di Coulomb è i campi elettrici.
A forza elettrica hè una forza cunservativa
Oltre à a forza gravitazionale è a forza di a molla, un altru esempiu di forza cunservativa hè a forza elettrica. Per capisce megliu perchè a forza elettrica hè chjamata forza cunservativa, leghjite a seguente spiegazione.
Supponemu chì ci sò duie piastre caricate elettricamente cum'è mostratu in l'imagine, a piastra di manca hè caricata pusitivamente è a piastra di diritta hè caricata negativamente.n negativu. A freccia trà i dui piatti sò linee di campu elettricu yang da una carica pusitiva versu una carica negativa. Una carica pusitiva hè vicinu à una piastra caricata pusitivamente.
A prisenza di un campu elettricu face chì una carica pusitiva subisca una forza elettrica in a listessa direzzione chè u campu elettricu, in modu chì a carica pusitiva hè accelerata à diritta versu a piastra caricata negativamente. A direzzione di a forza elettrica hè à diritta, in a listessa direzzione chè a direzzione di u muvimentu di a carica, in modu chì a forza elettrica face un travagliu pusitivu nantu à a carica. Matematicamente, u travagliu fattu da a forza elettrica nantu à una carica pusitiva hè W = F s = q E s, induve W = travagliu, F = forza elettrica, s = distanza trà e duie piastre, q = carica pusitiva, E = campu elettricu.
Dopu esse ghjuntu vicinu à a piastra caricata negativamente, se carica pusitiva vulètornakan à a so pusizione originale vicinu piastra caricata pusitivamente tandu ci vole u vostru stilear Quandu a carica hè pusitiva spustatu à manca versu a piastra caricata pusitivamente, a forza elettrica ferma diretta à diritta in modu chì a forza elettrica face un travagliu negativu nantu à a carica. Matematicamente, u travagliu fattu da a forza elettrica nantu à una carica pusitiva hè W = – F s = – q E s.
U travagliu tutale fattu da a forza elettrica nantu à una carica pusitiva, quandu a carica si move à diritta è dopu si move torna à manca à a so pusizione originale hè W = q E s – q E s = 0. Sè u travagliu tutale fattu da una forza nantu à un ughjettu, quandu l'ughjettu si alluntana da a so pusizione originale è dopu torna à a so pusizione originale, hè uguale à zeru, allora a forza hè una forza cunservativa. Basatu annantu à a spiegazione sopra, si pò cunclude chì a forza elettrica hè una forza cunservativa.
Forza elettrica è energia potenziale elettrica
U travagliu fattu da una forza cunservativa hè ligatu à u cambiamentu di l'energia putenziale. Per esempiu, u travagliu fattu da a forza gravitazionale nantu à una massa cambia l'energia putenziale gravitazionale di a massa. In listessu modu, u travagliu fattu da una forza elettrica nantu à una carica elettrica cambia l'energia putenziale elettrica di a carica.
Carica pusitiva in un campu elettricu omogeneu
E duie figure quì sottu illustranu esempi di travagliu fattu da una forza cunservativa chì provoca un cambiamentu di l'energia putenziale. E spiegazioni di u travagliu fattu da a forza gravitazionale è u cambiamentu di l'energia putenziale gravitazionale sò aduprate cum'è paragone per facilità a comprensione di u travagliu fattu da a forza elettrica è u cambiamentu di l'energia putenziale elettrica.
L'imagine à manca mostra un oggettu chì casca. bebas versu a superficia di a terra. Quandu hè à una altezza, un ughjettu hà a massima energia potenziale gravitazionale. Quandu un ughjettu si move versu u bassu, a forza di gravità agisce nantu à ellu. A direzzione di a forza gravitazionale hè a listessa chè a direzzione di u spustamentu di l'ughjettu, vale à dì versu u bassu, dunque a forza gravitazionale face un travagliu pusitivu. Quandu un ughjettu accelera versu u bassu, a so altezza diminuisce, diminuendu cusì a so energia putenziale gravitazionale. Quandu hè vicinu à ghjunghje à a terra, l'energia putenziale gravitaziunale hè à u so valore minimu. Si pò cunclude chì u travagliu pusitivu fattu da a forza gravitazionale nantu à un ughjettu riduce l'energia putenziale gravitazionale di l'ughjettu. L'energia putenziale gravitazionale ùn si perde micca ma hè cunvertita in energia cinetica, ciò chì hè indicatu da a velocità crescente di l'ughjettu quandu si move in ghjò.
L'imagine à diritta mostra una carica pusitiva.f hè vicinu à una piastra caricata pusitivamente. Quandu hè vicinu à una piastra caricata pusitivamente, l'energia putenziale elettrica di a carica hè à u so massimu. A presenza di un campu elettricu trà e duie piastre face chì a carica sia accelerata da a forza elettrica da piastra caricata pusitivamente à piastra caricata negativamente. Quandu u caricu si move à diritta, forza elettrica ancu in a listessa direzzione cum'è U spustamentu di carica hè à diritta, cusì chì a forza elettrica face un travagliu pusitivu. Mentre si move à diritta, l'energia cinetica di a carica aumenta mentre l'energia putenziale elettrica diminuisce. Quandu ghjunghje vicinu à a placca caricata negativamente, l'energia putenziale elettrica di a carica hè à u so valore minimu. Si pò cunclude chì u travagliu pusitivu fattu da a forza elettrica annantu à carica, riducendu l'energia putenziale elettrica di a carica. Sà u cuntrariu, jika a carica pusitiva hè spustata torna à a so pusizione originale tandu a direzzione di u trasferimentu di carica hè à manca, opposta à a direzzione forza elettrica à dirittanSiccomu a forza elettrica hè in a direzzione opposta, face un travagliu negativu nantu à a carica pusitiva. Mentre si move à manca, l'energia putenziale elettrica aumenta. Dunque, si pò cunclude chì u travagliu negativu fattu da a forza elettrica nantu à a carica aumenta l'energia putenziale elettrica di a carica.
Carica negativa in un campu elettricu omogeneu
À u cuntrariu di e cariche pusitive, e cariche negative anu una energia putenziale elettrica massima quandu sò vicinu à una piastra carica negativamente è una energia putenziale elettrica minima quandu sò vicinu à una piastra carica pusitivamente. Naturalmente, e cariche elettriche si movenu naturalmente da un putenziale altu à un putenziale bassu, dunque e cariche negative si movenu ancu da una piastra carica negativamente à una piastra carica pusitivamente. A direzzione di u muvimentu di a carica negativa hè à manca, mentre chì a direzzione di a forza elettrica hè à diritta, dunque a forza elettrica face un travagliu negativu. Quandu si move à manca, l'energia putenziale elettrica di a carica negativa diminuisce è hà un valore minimu quandu a carica negativa ghjunghje vicinu à a piastra carica pusitivamente. Si pò cunclude chì u travagliu negativu fattu da a forza elettrica riduce l'energia putenziale elettrica di a carica negativa. L'energia putenziale elettrica ùn hè micca persa ma hè cunvertita in energia cinetica, ciò chì hè indicatu da a velocità crescente di a carica quandu si move versu a piastra carica pusitivamente.
Energia putenziale elettrica in un campu elettricu omogeneu
L'energia putenziale elettrica di una carica quandu si trova in una pusizione particulare hè scunnisciuta. Tuttavia, se a carica si move da un locu à l'altru, u cambiamentu di a so energia putenziale elettrica pò esse determinatu. Dunque, ciò chì importa hè u cambiamentu di l'energia putenziale (ΔEP).
Per paragone, quandu una manga hè nantu à u so gambu, hà energia putenziale gravitaziunale ma u so valore ùn pò esse cunnisciutu. Sè a manga hè accelerata versu a terra da a forza di gravità, a riduzione di l'energia putenziale gravitaziunale di a manga pò esse determinata per mezu di calculi utilizendu a formula W = Δ EP = mgh, induve m = massa, g = accelerazione gravitaziunale, h hè a distanza trà u gambu di a manga è a superficia di a terra.
In listessu modu, u cambiamentu di l'energia putenziale elettrica di una carica pò esse cunnisciutu quandu a carica hè accelerata da una forza elettrica da un puntu à l'altru. Cum'è spiegatu prima, se una carica pusitiva si move da una piastra caricata pusitivamente à una piastra caricata negativamente, a diminuzione di l'energia putenziale elettrica di a carica hè calculata aduprendu a formula W = Δ EP = q E s, induve q = carica elettrica, E = campu elettricu è s hè a distanza trà e duie piastre o a distanza trà un locu è l'altru. In listessu modu, se una carica negativa si move da una piastra caricata negativamente à una piastra caricata pusitivamente, l'aumentu di l'energia putenziale elettrica di a carica negativa hè calculatu aduprendu a formula W = ΔEP = q E s.
Energia putenziale elettrica di duie cariche puntuali
I cambiamenti in l'energia putenziale elettrica ùn sò micca solu sperimentati da e cariche in un campu elettricu omogeneu, ma ancu in u campu elettricu pruduttu da una sola carica elettrica. Supponemu chì ci sia una sola carica Q chì produce un campu elettricu è chì a carica q sia à una distanza r da a carica Q.
infurmazione: k (custante di Coulomb) = 9 x 109 Nm2/C2, Q = carica elettrica chì crea un campu elettricu, q = carica elettrica chì subisce un spustamentu in u campu elettricu generatu da a carica Q, s = r = distanza di a carica q da a carica Q.
Sè e duie cariche anu u listessu segnu, + o –, tandu e duie cariche si respinghjenu o si alluntananu l'una da l'altra in modu chì u cambiamentu di l'energia putenziale hè pusitivu (l'energia putenziale elettrica aumenta). Questu hè simile à un oggettu di massa chì si move versu l'altu luntanu da a terra in modu chì a so altezza è a so energia putenziale gravitazionale aumentanu. À u cuntrariu, sè e duie cariche anu segni diversi, e duie cariche si attraenu o si avvicinanu l'una à l'altra in modu chì u cambiamentu di l'energia putenziale hè negativu (l'energia putenziale elettrica diminuisce). Questu hè simile à un oggettu di massa chì si move versu u bassu versu a terra in modu chì a so altezza è a so energia putenziale gravitazionale diminuiscenu.
A forza elettrica hè una forza cunservativa, dunque a forma di u percorsu di a carica ùn hà micca effettu nant'à u cambiamentu di l'energia putenziale elettrica. Ciò chì influenza u cambiamentu di l'energia putenziale elettrica sò e pusizioni iniziali è finali di a carica.
In u prossimu tema, esamineremu u putenziale elettricu , una quantità fisica strettamente ligata à l'energia putenziale elettrica.
