Enne selle teema uurimist tuleks kõigepealt aru saada materi pole vajafüüsika, konservatiivne stiil, elektrilaeng, Coulombi seadus dan elektriväli.
Elektriline jõud on konservatiivne jõud
Lisaks gravitatsioonijõule ja vedrujõule on konservatiivse jõu teine näide elektrijõud. Et paremini mõista, miks elektrijõudu nimetatakse konservatiivseks jõuks, lugege järgmist selgitust.
Oletame, et on kaks elektriliselt laetud plaati, nagu pildil näidatud, vasak plaat on positiivselt laetud ja parem plaat negatiivselt laetud.n negatiivne. Nool nende vahel mõlemad plaadid on elektrivälja jõujooned yang positiivsest laengust negatiivse laengu suunas. Positiivne laeng asub positiivselt laetud plaadi lähedal.
Elektrivälja olemasolu põhjustab positiivse laenguif kogeb elektrivälja suunaga samas suunas elektrijõudu, mistõttu positiivne laeng kiireneb paremale negatiivselt laetud plaadi suunas. Elektrilise jõu suund on paremale, samas suunas kui liikumissuund laeng, nii et elektrijõud teeb laengule positiivset tööd. Matemaatiliselt on elektrijõu poolt positiivse laengu suhtes tehtud töö W = F s = q E s, dkus W = töö, F = elektrijõud, s = kahe plaadi vaheline kaugus, q = positiivne laeng, E = elektriväli.
Pärast negatiivselt laetud plaadi lähedale jõudmist, kui positiivne laeng tahantagasitulekvõib olla oma algsele positsioonile lähedal positiivselt laetud plaat siis on sinu stiili vajaar. Kui laeng on positiivne kolis vasakule positiivselt laetud plaadi suunas, jääb elektrijõud suunatuks paremale, nii et elektrijõud teeb laenguga negatiivset tööd. Matemaatiliselt on elektrijõu poolt positiivse laenguga tehtud töö W = – F s = – q E s.
Uelektrilise jõu poolt positiivsele laengule avaldatav kogupingutus, kui koorem liigub paremale, siis liigub see uuesti vasakule algasendisse on W = qEs – qEs = 0. Kui jõu poolt objektile tehtud kogutöö, kui objekt liigub oma algasendist eemale ja seejärel naaseb algasendisse, on võrdne nulliga, siis on tegemist konservatiivse jõuga. Eelneva selgituse põhjal võib järeldada, et elektriline jõud on konservatiivne jõud.
Elektriline jõud ja elektriline potentsiaalenergia
Konservatiivse jõu tehtud töö on seotud potentsiaalse energia muutusega. Näiteks gravitatsioonijõu tehtud töö massile muudab massi gravitatsioonilist potentsiaalset energiat. Samamoodi muudab elektrijõu tehtud töö elektrilaengule laengu elektrilist potentsiaalset energiat.
Positiivne laeng homogeenses elektriväljas
Allolevad kaks joonist illustreerivad näiteid konservatiivse jõu tehtud tööst, mis põhjustab potentsiaalse energia muutuse. Gravitatsioonijõu tehtud töö ja gravitatsioonipotentsiaalienergia muutuse selgitusi kasutatakse võrdlusena, et hõlbustada elektrijõu tehtud töö ja elektripotentsiaalienergia muutuse mõistmist.
Vasakpoolsel pildil on näha langevat eset. tasuta maapinna poole. Kõrgusel olles on objektil maksimaalne gravitatsiooniline potentsiaalne energia. Kui objekt liigub allapoole, mõjub sellele gravitatsioonijõud. Gravitatsioonijõu suund on sama mis objekti nihke suund, nimelt allapoole, seega teeb gravitatsioonijõud positiivset tööd. Kui objekt kiirendab allapoole, väheneb selle kõrgus, mis vähendab ka selle gravitatsioonilist potentsiaalset energiat. Maapinnale jõudes on gravitatsioonipotentsiaalne energia minimaalse väärtusega. Võib järeldada, et gravitatsioonijõu positiivne töö objektil vähendab objekti gravitatsioonipotentsiaalienergiat. Gravitatsiooniline potentsiaalne energia ei lähe kaduma, vaid muundub kineetiliseks energiaks, mida näitab objekti kiiruse suurenemine allapoole liikumisel.
Parempoolne pilt näitab positiivset laengut.f asub positiivselt laetud plaadi lähedal. Positiivselt laetud plaadi lähedal on laengu elektriline potentsiaalne energia maksimaalne. Elektrivälja olemasolu kahe plaadi vahel põhjustab laengu kiirendamist elektrilise jõu abil, mis tekib plaadilt. positiivselt laetud plaat negatiivselt laetud plaadi vastu. Millal koorem liigub paremale, elektriline jõud ka samas suunas kui Laengu nihe on paremale, nii et elektrijõud teeb positiivset tööd. Liikudes paremal suureneb laengu kineetiline energia, samal ajal kui elektriline potentsiaalne energia väheneb. Negatiivselt laetud plaadi lähedale jõudes on laengu elektriline potentsiaalne energia minimaalse väärtusega. Võib järeldada, et elektrilise jõu positiivne töö lasti, vähendades laengu elektrilist potentsiaalset energiat. Svastupidi, Jika positiivne laeng nihutatakse tagasi algasendisse siis on laenguülekande suund vasakule, vastassuunas elektriline jõud paremalenKuna elektrijõud on vastassuunas, teeb see positiivse laengu kallal negatiivset tööd. Vasakule liikudes elektriline potentsiaalne energia suureneb. Seega võib järeldada, et elektrilise jõu poolt laengule tehtud negatiivne töö suurendab laengu elektrilist potentsiaalset energiat.
Negatiivne laeng homogeenses elektriväljas
Erinevalt positiivsetest laengutest on negatiivsetel laengutel maksimaalne elektriline potentsiaalne energia negatiivselt laetud plaadi lähedal ja minimaalne elektriline potentsiaalne energia positiivselt laetud plaadi lähedal. Loomulikult liiguvad elektrilaengud loomulikult kõrgelt potentsiaalilt madalale potentsiaalile, seega liiguvad ka negatiivsed laengud negatiivselt laetud plaadilt positiivselt laetud plaadile. Negatiivse laengu liikumissuund on vasakule, elektrijõu suund aga paremale, seega teeb elektrijõud negatiivset tööd. Vasakule liikudes negatiivse laengu elektriline potentsiaalne energia väheneb ja saavutab minimaalse väärtuse, kui negatiivne laeng jõuab positiivselt laetud plaadi lähedale. Võib järeldada, et elektrijõu tehtud negatiivne töö vähendab negatiivse laengu elektrilist potentsiaalset energiat. Elektriline potentsiaalne energia ei lähe kaduma, vaid muundub kineetiliseks energiaks, mida näitab laengu kiiruse suurenemine positiivselt laetud plaadi poole liikudes.
Elektriline potentsiaalne energia homogeenses elektriväljas
Laengu elektriline potentsiaalne energia kindlas asendis on teadmata. Kui aga laeng liigub ühest kohast teise, saab selle elektrilise potentsiaalse energia muutuse kindlaks määrata. Seega on oluline potentsiaalse energia muutus (ΔEP).
Võrdluseks, kui mango on oma varrel, on tal potentsiaalset energiat. gravitatsioon, aga selle väärtust ei saa teada. Kui mangot kiirendab gravitatsioonijõud maapinna poole, siis vähenemine Mangovilja gravitatsioonipotentsiaalset energiat saab määrata valemi W abil arvutades = ΔEP = mgh, kus m = mass, g = raskuskiirendus, h on mangovarre ja maapinna vaheline kaugus.
Samamoodi saab laengu elektrilise potentsiaalse energia muutust teada, kui laengut kiirendab elektriline jõud ühest punktist teise. Nagu eelnevalt selgitatud, kui positiivne laeng liigub positiivselt laetud plaadilt teisele plaat on siis negatiivselt laetud vähenemine Laengu elektriline potentsiaalne energia arvutatakse valemi abil W = ΔEP = q E s, kus q = elektrilaeng, E = elektriväli ja s on kahe plaadi vaheline kaugus või kaugus ühest kohast teise. Samamoodi, kui negatiivne laeng liigub negatiivselt laetud plaadilt positiivselt laetud plaadile, siis suurendama Negatiivse laengu elektriline potentsiaalne energia arvutatakse valemiga W = ΔEP = q E s.
Kahe punktlaengu elektriline potentsiaalne energia
Elektrilise potentsiaalse energia muutusi ei koge mitte ainult homogeense elektrivälja laengud, vaid ka ühe elektrilaengu tekitatud elektriväljas olevad laengud. Oletame, et leidub üks laeng Q, mis tekitab elektrivälja ja laeng q asub laengust Q kaugusel r.
Teave: k (Coulombi konstant) = 9 x 109 Nm2/C2, Q = elektrilaeng, mis tekitab elektrivälja, q = elektrilaeng, mis nihkub laengu Q tekitatud elektriväljas, s = r = laengu q kaugus laengust Q.
Kui mõlemal laengul on sama märk, + või –, siis tõukuvad need kaks laengut teineteist või liiguvad teineteisest eemale, nii et potentsiaalse energia muutus on positiivne (elektriline potentsiaalne energia suureneb). See on sarnane massiobjekti liikumisega Maast ülespoole, nii et selle kõrgus ja gravitatsiooniline potentsiaalne energia suurenevad. Vastupidiselt, kui kahel laengul on erinevad märgid, siis tõmbuvad need kaks laengut teineteisest eemale, nii et potentsiaalse energia muutus on negatiivne (elektriline potentsiaalne energia väheneb). See on sarnane massiobjekti liikumisega allapoole Maa poole, nii et selle kõrgus ja gravitatsiooniline potentsiaalne energia vähenevad.
Elektrijõud on konservatiivne jõud, seega laengu trajektoori kuju ei mõjuta elektrilise potentsiaalienergia muutust. Elektrilise potentsiaalienergia muutust mõjutavad laengu alg- ja lõppasend.
Järgmises teemas vaadatakse üle elektriline potentsiaal, füüsikaline suurus, mis on tihedalt seotud elektriline potentsiaalne energia.
