Articulu nantu à l'energia putenziale elettrica
Prima di studià stu tema, capite prima u travagliu, e forze cunservative, a relazione trà e forze cunservative cù l'energia putenziale , e forze elettriche è u campu elettricu.
A forza elettrica hè a forza cunservativa
In più di a forza gravitazionale è di 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, capite a seguente spiegazione.
Supponemu chì ci sianu duie piastre caricate elettricamente cum'è mostratu in a figura, a piastra di manca hè caricata pusitivamente, è a piastra di diritta hè caricata negativamente. A freccia trà e duie piastre hè e linee di campu elettricu chì escenu da a carica pusitiva versu a carica negativa. Una carica pusitiva hè vicinu à una piastra caricata elettricamente pusitiva.
A prisenza di u campu elettricu face chì a carica pusitiva sperimenti a forza elettrica in a direzzione di u campu elettricu in modu chì a carica pusitiva sia accelerata à diritta versu a piastra caricata negativamente. A direzzione di a forza elettrica à diritta, in a direzzione di u muvimentu di a carica, in modu chì a forza elettrica faci un travagliu pusitivu nantu à a carica. Matematicamente, u travagliu fattu da a forza elettrica nantu à a carica pusitiva hè W = F d = q E d, induve W = travagliu, F = a forza elettrica, d = distanza trà e duie piastre, q = carica pusitiva, E = campu elettricu.
Dopu esse ghjuntu vicinu à a piastra caricata negativamente, se a carica pusitiva deve esse restituita à a so pusizione originale vicinu à a piastra caricata negativamente, hè necessaria una forza esterna. Quandu a carica pusitiva hè spostata 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 a carica pusitiva hè W = – F d = – q E d.
U travagliu tutale fattu da a forza elettrica nantu à a carica pusitiva, quandu a carica si move à diritta, poi si move torna à manca à a so pusizione originale, hè W = q E d – q E d = 0. Sè u travagliu nettu hè fattu da a forza nantu à l'ughjettu, quandu l'ughjettu si alluntana da a so pusizione originale è poi torna à a so pusizione originale, 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 e forze cunservative hè ligatu à i cambiamenti in l'energia putenziale. Per esempiu, u travagliu fattu da a forza gravitazionale nantu à un oggettu di massa cambia l'energia putenziale gravitazionale di l'oggettu di massa. In listessu modu, u travagliu fattu da a forza elettrica in una carica elettrica cambia l'energia putenziale elettrica di a carica.
A carica pusitiva in u campu elettricu omogeneu
E duie imagine quì sottu illustranu esempi di travagliu fattu da e forze cunservative chì causanu cambiamenti in l'energia putenziale. A spiegazione di u travagliu fattu da a forza di gravità è i cambiamenti in l'energia putenziale gravitazionale hè aduprata cum'è paragone,
per facilità a capiscitura di u travagliu fattu da a forza elettrica è di i cambiamenti in l'energia putenziale elettrica.
L'imagine à manca mostra un ughjettu chì casca liberamente versu a superficia di a terra. Quandu sò in cima, l'ughjetti anu l'energia putenziale gravitaziunale massima. Quandu si movenu in ghjò, a forza gravitaziunale agisce nantu à l'ughjettu. A direzzione di a forza gravitaziunale hè a listessa chè a direzzione di u muvimentu di l'ughjettu chì hè in ghjò, cusì chì a forza gravitaziunale face un travagliu pusitivu. Quandu hè acceleratu in ghjò, l'altezza di l'ughjettu diminuisce cusì chì l'energia putenziale gravitaziunale di l'ughjettu diminuisce. Quandu ghjunghje à a terra, l'energia putenziale gravitaziunale hè minima. Si pò cunclude chì u travagliu pusitivu fattu da a forza gravitaziunale nantu à l'ughjettu riduce l'energia putenziale gravitaziunale di l'ughjettu. L'energia putenziale gravitaziunale ùn hè micca persa ma si trasforma in energia cinetica, chì hè indicata da l'aumentu di a velocità di l'ughjettu quandu si move in ghjò.
A figura à diritta mostra a carica pusitiva vicinu à a placca caricata pusitivamente. Quandu si hè vicinu à una placca caricata pusitivamente, l'energia putenziale elettrica hà u valore massimu. A presenza di un campu elettricu trà e duie placche face chì a carica sia accelerata da a forza elettrica da a placca caricata pusitivamente à a placca caricata negativamente. Quandu a carica si move à diritta, a forza elettrica hè ancu in a direzzione di u spustamentu di a carica à diritta, in modu chì a forza elettrica face un travagliu pusitivu. Durante u muvimentu à diritta, l'energia cinetica di a carica aumenta mentre l'energia putenziale elettrica diminuisce.
À l'arrivu vicinu à a piastra cù una carica negativa, l'energia elettrica putenziale hà u valore minimu. Si pò cunclude chì u travagliu pusitivu fattu da a forza elettrica nantu à a carica riduce l'energia putenziale elettrica di a carica. À u cuntrariu, se a carica pusitiva hè spustata torna à a so pusizione originale, allora a direzzione di a carica cambia à manca, opposta à a direzzione di a forza elettrica à diritta. Per via di a direzzione opposta, a forza elettrica face un travagliu negativu nantu à a carica pusitiva. Quandu si move à manca, l'energia putenziale elettrica aumenta. Cusì, 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 u campu elettricu omogeneu
À u cuntrariu di a carica pusitiva, a carica negativa hà l'energia putenziale elettrica massima quandu hè vicinu à a piastra caricata negativamente è l'energia putenziale elettrica minima quandu hè vicinu à a piastra caricata pusitivamente. Naturalmente, a carica elettrica si move da un putenziale altu à un putenziale bassu, dunque a carica negativa si move ancu da a piastra caricata negativamente à a piastra caricata pusitivamente. A direzzione di spustamentu di a carica negativa hè à manca, mentre chì a direzzione di a forza elettrica hè à diritta in modu chì 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 caricata 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 si trasforma in energia cinetica chì hè carattarizata da l'aumentu di a velocità di a carica quandu si move versu a piastra caricata pusitivamente.
Energia putenziale elettrica in u campu elettricu omogeneu
L'energia putenziale elettrica di una carica quandu a carica hè in una certa pusizione, u so valore ùn pò esse cunnisciutu. Ma s'è a carica si move da un locu à l'altru, si pò calculà u cambiamentu di l'energia putenziale elettrica di a carica. Dunque, ciò chì hè significativu hè u cambiamentu di l'energia putenziale. I cambiamenti in l'energia putenziale elettrica (ΔEP) ponu esse cunnisciuti quandu a carica pusitiva si move da u putenziale altu (piastra caricata pusitivamente) à u putenziale bassu (piastra caricata negativamente).
Per paragone, quandu u mango hè nantu à u so gambu, u mango hà energia putenziale gravitaziunale, ma u so valore ùn pò esse cunnisciutu. Sè u fruttu di u mango hè acceleratu versu a terra da a forza gravitaziunale, u cambiamentu di l'energia putenziale gravitaziunale di u mango pò esse cunnisciutu per mezu di u calculu aduprendu a formula W = ΔEP = mgh,
induve m = massa, g = accelerazione gravitazionale, h = a distanza trà u mango è a superficia di a terra.
In listessu modu, i cambiamenti di l'energia putenziale elettrica di una carica ponu esse cunnisciuti quandu a forza elettrica accelera a carica da un puntu à l'altru. Cum'è spiegatu prima, se a carica pusitiva si move da a piastra caricata pusitivamente à a piastra caricata negativamente,
U cambiamentu di l'energia putenziale elettrica hè calculatu cù a formula W = ΔEP = qEd, induve q = a carica elettrica, E = u campu elettricu è d = a distanza trà un locu è un altru locu. In listessu modu, se a carica negativa si move da a piastra caricata negativamente à a piastra caricata pusitivamente, l'aumentu di l'energia putenziale elettrica di a carica negativa hè calculatu cù a formula W = ΔEP = qEd.
L'energia putenziale elettrica di e duie cariche puntuali
I cambiamenti in l'energia putenziale elettrica ùn sò micca solu sperimentati da a carica in un campu elettricu omogeneu, ma ancu da u campu elettricu pruduttu da a sola carica elettrica. Supponemu chì ci sia una sola carica Q chì produce un campu elettricu è una carica di q hà una distanza di r da a carica Q.
Q = carica elettrica chì provoca un campu elettricu
q = carica elettrica chì hè spiazzata in u campu elettricu pruduttu da a carica Q
d = r = distanza di a carica q da a carica Q.
Sè e duie cariche anu u listessu segnu, + o -, allora e duie cariche si respinghjenu o si tenenu luntanu l'una da l'altra in modu chì i cambiamenti di l'energia putenziale sò pusitivi (l'energia putenziale elettrica aumenta). Questu hè cum'è un oggettu di massa chì si move versu l'altu luntanu da a terra in modu chì a so altezza è l'energia putenziale gravitazionale aumentanu. À u cuntrariu, sè u segnu di e duie cariche ùn hè micca listessu, e duie cariche si tiranu o si avvicinanu l'una à l'altra in modu chì u cambiamentu di l'energia putenziale hè negativu (l'energia putenziale elettrica hè ridutta). Questu hè cum'è un oggettu di massa chì si move versu u bassu avvicinendu si à a superficia di a terra in modu chì a so altezza è l'energia putenziale gravitazionale sò ridutte.
A forza elettrica hè una forza cunservativa, dunque a forma di u percorsu di carica ùn influenza micca i cambiamenti in l'energia potenziale elettrica. Ciò chì influenza u valore di i cambiamenti in l'energia potenziale elettrica, hè a pusizione iniziale è a pusizione finale di a carica.
In u prossimu tema serà studiatu u putenziale elettricu, quantità fisiche chì sò strettamente ligate à l'energia putenziale elettrica.
