Før du studerer dette emne, skal du først forstå materialet om fysik , konservative kræfter , elektrisk ladning , Coulombs lov og elektriske felter.
Elektrisk kraft er en konservativ kraft
Udover tyngdekraft og fjederkraft er den elektriske kraft et andet eksempel på en konservativ kraft. For bedre at forstå, hvorfor den elektriske kraft kaldes en konservativ kraft, kan du læse følgende forklaring.
Antag, at der er to elektrisk ladede plader, som vist på billedet, den venstre plade er positivt ladet, og den højre plade er negativt ladet.n negativ. Pilen mellem begge plader er elektriske feltlinjer yang ud af en positiv ladning mod en negativ ladning. En positiv ladning er nær en positivt ladet plade.
Tilstedeværelsen af et elektrisk felt får en positiv ladning til at opleve en elektrisk kraft i samme retning som det elektriske felt, således at den positive ladning accelereres til højre mod den negativt ladede plade. Den elektriske krafts retning er til højre, i samme retning som ladningens bevægelsesretning , således at den elektriske kraft udfører positivt arbejde på ladningen. Matematisk set er det arbejde, der udføres af den elektriske kraft på en positiv ladning, W = F s = q E s, hvor W = arbejde, F = elektrisk kraft, s = afstanden mellem de to plader, q = positiv ladning, E = elektrisk felt.
Efter at være ankommet nær den negativt ladede plade, hvis positiv ladning vil havetilbagevendencan til sin oprindelige position nær positivt ladet plade så er din stil nødvendigAr. Når ladningen er positiv flyttet til venstre mod den positivt ladede plade, forbliver den elektriske kraft rettet mod højre, så den elektriske kraft udfører negativt arbejde på ladningen. Matematisk set er det arbejde, der udføres af den elektriske kraft på en positiv ladning, W = – F s = – q E s.
Det samlede arbejde udført af den elektriske kraft på en positiv ladning, når ladningen bevæger sig til højre og derefter bevæger sig igen til venstre til sin oprindelige position, er W = q E s – q E s = 0. Hvis det samlede arbejde udført af en kraft på et objekt, når objektet bevæger sig væk fra sin oprindelige position og derefter vender tilbage til sin oprindelige position, er lig med nul, så er kraften en konservativ kraft. Baseret på ovenstående forklaring kan det konkluderes, at den elektriske kraft er en konservativ kraft.
Elektrisk kraft og elektrisk potentiel energi
Det arbejde, der udføres af en konservativ kraft, er relateret til ændringen i potentiel energi. For eksempel ændrer det arbejde, der udføres af tyngdekraften på en masse, massens gravitationelle potentielle energi. Tilsvarende ændrer det arbejde, der udføres af en elektrisk kraft på en elektrisk ladning, ladningens elektriske potentielle energi.
Positiv ladning i et homogent elektrisk felt
De to figurer nedenfor illustrerer eksempler på arbejde udført af en konservativ kraft, der forårsager en ændring i potentiel energi. Forklaringerne af arbejdet udført af tyngdekraften og ændringen i tyngdekraftens potentiel energi bruges som en sammenligning for at lette forståelsen af arbejdet udført af den elektriske kraft og ændringen i elektrisk potentiel energi.
Billedet til venstre viser en genstand, der falder. bebas mod jordoverfladen. Når et objekt er i en højde, har det maksimal potentiel gravitationsenergi. Når et objekt bevæger sig nedad, virker tyngdekraften på det. Tyngdekraftens retning er den samme som objektets forskydningsretning, nemlig nedad, så tyngdekraften udfører positivt arbejde. Når et objekt accelererer nedad, falder dets højde, hvorved dets potentielle gravitationsenergi mindskes. Når den er ved at nå jorden, er den tyngdekraftsmæssige potentielle energi på sin minimale værdi. Det kan konkluderes, at det positive arbejde, som tyngdekraften udfører på et objekt, reducerer objektets tyngdekraftspotentialeenergi. Gravitationspotentiel energi går ikke tabt, men omdannes til kinetisk energi, hvilket indikeres af objektets stigende hastighed, når det bevæger sig nedad.
Billedet til højre viser en positiv ladning.f er nær en positivt ladet plade. Når den er nær en positivt ladet plade, er ladningens elektriske potentielle energi maksimal. Tilstedeværelsen af et elektrisk felt mellem de to plader får ladningen til at blive accelereret af den elektriske kraft fra positivt ladet plade til negativt ladet plade. Når lasten bevæger sig til højre, elektrisk kraft også i samme retning som Ladningsforskydningen er til højre, således at den elektriske kraft udfører positivt arbejde. Mens man bevæger sig Til højre øges ladningens kinetiske energi, mens den elektriske potentielle energi falder. Når den kommer i nærheden af den negativt ladede plade, er ladningens elektriske potentielle energi på sit minimum. Det kan konkluderes, at det positive arbejde, der udføres af den elektriske kraft på muatan, hvilket reducerer ladningens elektriske potentielle energi. Stværtimod, Jika positiv ladning flyttes tilbage til sin oprindelige position så er retningen af ladningsoverførslen til venstre, modsat retningen elektrisk kraft til højrenFordi den elektriske kraft er i den modsatte retning, udfører den negativt arbejde på den positive ladning. Når den bevæger sig til venstre, øges den elektriske potentielle energi. Derfor kan det konkluderes, at det negative arbejde, som den elektriske kraft udfører på ladningen, øger ladningens elektriske potentielle energi.
Negativ ladning i et homogent elektrisk felt
I modsætning til positive ladninger har negative ladninger maksimal elektrisk potentiel energi, når de er i nærheden af en negativt ladet plade, og minimal elektrisk potentiel energi, når de er i nærheden af en positivt ladet plade. Elektriske ladninger bevæger sig naturligt fra højt potentiale til lavt potentiale, så negative ladninger bevæger sig også fra en negativt ladet plade til en positivt ladet plade. Den negative ladnings bevægelsesretning er til venstre, mens den elektriske krafts retning er til højre, så den elektriske kraft udfører negativt arbejde. Når man bevæger sig til venstre, falder den negative ladnings elektriske potentielle energi og har en minimumsværdi, når den negative ladning kommer i nærheden af den positivt ladede plade. Det kan konkluderes, at det negative arbejde, der udføres af den elektriske kraft, reducerer den negative ladnings elektriske potentielle energi. Den elektriske potentielle energi går ikke tabt, men omdannes til kinetisk energi, hvilket indikeres af ladningens stigende hastighed, når den bevæger sig mod den positivt ladede plade.
Elektrisk potentiel energi i et homogent elektrisk felt
Den elektriske potentielle energi af en ladning, når den er i en bestemt position, er ukendt. Men hvis ladningen bevæger sig fra et sted til et andet, kan ændringen i dens elektriske potentielle energi bestemmes. Derfor er det afgørende ændringen i potentiel energi (ΔEP).
Til sammenligning har en mango, når den står på sin stilk, potentiel energi på grund af tyngdekraften, men dens værdi kan ikke kendes. Hvis mangoen accelereres til jorden af tyngdekraften, kan reduktionen i mangoens potentielle energi på grund af tyngdekraften bestemmes ved hjælp af formlen W = Δ EP = mgh, hvor m = masse, g = tyngdeacceleration, og h er afstanden mellem mangostilken og jordoverfladen.
Ligeledes kan ændringen i en ladnings elektriske potentielle energi kendes, når ladningen accelereres af en elektrisk kraft fra et punkt til et andet. Som forklaret tidligere, hvis en positiv ladning bevæger sig fra en positivt ladet plade til en negativt ladet plade, beregnes faldet i ladningens elektriske potentielle energi ved hjælp af formlen W = ΔEP = qEs, hvor q = elektrisk ladning, E = elektrisk felt, og s er afstanden mellem de to plader eller afstanden mellem et sted og et andet. Ligeledes, hvis en negativ ladning bevæger sig fra en negativt ladet plade til en positivt ladet plade, beregnes stigningen i den negative ladnings elektriske potentielle energi ved hjælp af formlen W = ΔEP = qEs.
Elektrisk potentiel energi af to punktladninger
Ændringer i elektrisk potentiel energi opleves ikke kun af ladninger i et homogent elektrisk felt, men også i det elektriske felt, der produceres af en enkelt elektrisk ladning. Antag, at der er en enkelt ladning Q, der producerer et elektrisk felt, og ladningen q er i en afstand r fra ladningen Q.
Information : k (Coulombs konstant) = 9 x 109 nm2/C2, Q = elektrisk ladning, der skaber et elektrisk felt, q = elektrisk ladning, der oplever forskydning i det elektriske felt genereret af ladning Q, s = r = afstanden mellem ladning q og ladning Q.
Hvis begge ladninger har samme fortegn, + eller -, frastøder de to ladninger hinanden eller bevæger sig væk fra hinanden, så ændringen i potentiel energi er positiv (elektrisk potentiel energi stiger). Dette svarer til et objekt med masse, der bevæger sig opad væk fra jorden, så dets højde og gravitationelle potentielle energi øges. Omvendt, hvis de to ladninger har forskellige fortegn, tiltrækker de to ladninger hinanden eller bevæger sig tættere på hinanden, så ændringen i potentiel energi er negativ (elektrisk potentiel energi falder). Dette svarer til et objekt med masse, der bevæger sig nedad mod jorden, så dets højde og gravitationelle potentielle energi falder.
Den elektriske kraft er en konservativ kraft, så formen på ladningens bane har ingen effekt på ændringen i elektrisk potentiel energi. Det, der påvirker ændringen i elektrisk potentiel energi, er ladningens start- og slutpositioner.
I det næste emne vil vi gennemgå elektrisk potentiale , en fysisk størrelse, der er tæt forbundet med elektrisk potentiel energi.
