Prije proučavanja ove teme, prvo shvatite gradivo o fizici , konzervativnim silama , električnom naboju , Coulombovom zakonu i električnim poljima.
Električna sila je konzervativna sila
Osim gravitacijske sile i sile opruge, drugi primjer konzervativne sile je električna sila. Kako biste bolje razumjeli zašto se električna sila naziva konzervativnom silom, pročitajte sljedeće objašnjenje.
Pretpostavimo da postoje dvije električno nabijene ploče kao što je prikazano na slici, lijeva ploča je pozitivno nabijena, a desna negativno.n negativno. Strelica između obje ploče su linije električnog polja Yang iz pozitivnog naboja prema negativnom naboju. Pozitivan naboj je blizu pozitivno nabijene ploče.
Prisutnost električnog polja uzrokuje da pozitivni naboj osjeti električnu silu istog smjera kao i električno polje, tako da se pozitivni naboj ubrzava udesno prema negativno nabijenoj ploči. Smjer električne sile je udesno, u istom smjeru kao i smjer gibanja naboja, tako da električna sila vrši pozitivan rad na naboju. Matematički, rad koji električna sila vrši na pozitivnom naboju je W = Fs = q Es, gdje je W = rad, F = električna sila, s = udaljenost između dvije ploče, q = pozitivni naboj, E = električno polje.
Nakon dolaska u blizinu negativno nabijene ploče, ako pozitivni naboj želimpovratakmože biti u svoj izvorni položaj blizu pozitivno nabijena ploča onda je tvoj stil potrebanar. Kada je naboj pozitivan preselio lijevo prema pozitivno nabijenoj ploči, električna sila ostaje usmjerena udesno tako da električna sila vrši negativni rad na naboju. Matematički, rad koji električna sila vrši na pozitivnom naboju je W = – F s = – q E s.
Ukupni rad koji električna sila izvrši na pozitivnom naboju, kada se naboj pomiče udesno, a zatim ponovno ulijevo u svoj početni položaj, iznosi W = q E s – q E s = 0. Ako je ukupni rad sile na tijelu, kada se tijelo pomiče iz svog početnog položaja, a zatim se vraća u svoj početni položaj, jednak nuli, tada je sila konzervativna sila. Na temelju gornjeg objašnjenja može se zaključiti da je električna sila konzervativna sila.
Električna sila i električna potencijalna energija
Rad koji obavlja konzervativna sila povezan je s promjenom potencijalne energije. Na primjer, rad koji gravitacijska sila obavlja na masi mijenja gravitacijsku potencijalnu energiju mase. Slično tome, rad koji obavlja električna sila na električnom naboju mijenja električnu potencijalnu energiju naboja.
Pozitivan naboj u homogenom električnom polju
Dvije slike u nastavku ilustriraju primjere rada konzervativne sile koja uzrokuje promjenu potencijalne energije. Objašnjenja rada gravitacijske sile i promjene gravitacijske potencijalne energije koriste se kao usporedba radi lakšeg razumijevanja rada električne sile i promjene električne potencijalne energije.
Slika s lijeve strane prikazuje padajući predmet. besplatno prema površini tla. Kada se nalazi na visini, objekt ima maksimalnu gravitacijsku potencijalnu energiju. Kada se objekt kreće prema dolje, na njega djeluje sila gravitacije. Smjer gravitacijske sile isti je kao i smjer pomaka objekta, naime prema dolje, pa gravitacijska sila obavlja pozitivan rad. Kada se objekt ubrzava prema dolje, njegova visina se smanjuje, čime se smanjuje njegova gravitacijska potencijalna energija. Kada je blizu tla, gravitacijska potencijalna energija je na svojoj minimalnoj vrijednosti. Može se zaključiti da pozitivan rad koji gravitacijska sila obavlja na objektu smanjuje gravitacijsku potencijalnu energiju objekta. Gravitacijska potencijalna energija se ne gubi, već se pretvara u kinetičku energiju, što je naznačeno povećanjem brzine tijela pri kretanju prema dolje.
Slika desno prikazuje pozitivni naboj.f je blizu pozitivno nabijene ploče. Kada je blizu pozitivno nabijene ploče, električna potencijalna energija naboja je na svom maksimumu. Prisutnost električnog polja između dvije ploče uzrokuje ubrzanje naboja električnom silom iz pozitivno nabijena ploča na negativno nabijenu ploču. Kada teret se pomiče udesno, električna sila također u istom smjeru kao Pomak naboja je udesno, tako da električna sila obavlja pozitivan rad. Tijekom kretanja desno, kinetička energija naboja se povećava, dok se električna potencijalna energija smanjuje. Kada se približi negativno nabijenoj ploči, električna potencijalna energija naboja je na svojoj minimalnoj vrijednosti. Može se zaključiti da je pozitivan rad koji električna sila obavlja na teret, smanjujući električnu potencijalnu energiju naboja. Snaprotiv, Jika pozitivni naboj se vraća u prvobitni položaj tada je smjer prijenosa naboja ulijevo, suprotan smjeru električna sila udesnonBudući da električna sila djeluje u suprotnim smjerovima, ona vrši negativni rad na pozitivnom naboju. Kako se kreće ulijevo, električna potencijalna energija se povećava. Stoga se može zaključiti da negativni rad koji električna sila vrši na naboj povećava električnu potencijalnu energiju naboja.
Negativni naboj u homogenom električnom polju
Za razliku od pozitivnih naboja, negativni naboji imaju maksimalnu električnu potencijalnu energiju kada su blizu negativno nabijene ploče, a minimalnu električnu potencijalnu energiju kada su blizu pozitivno nabijene ploče. Naravno, električni naboji se prirodno kreću od visokog potencijala prema niskom potencijalu, pa se i negativni naboji kreću s negativno nabijene ploče na pozitivno nabijenu ploču. Smjer kretanja negativnog naboja je lijevo, dok je smjer električne sile desno, pa električna sila obavlja negativan rad. Pri kretanju ulijevo, električna potencijalna energija negativnog naboja smanjuje se i ima minimalnu vrijednost kada negativni naboj stigne blizu pozitivno nabijene ploče. Može se zaključiti da negativni rad koji obavlja električna sila smanjuje električnu potencijalnu energiju negativnog naboja. Električna potencijalna energija se ne gubi, već se pretvara u kinetičku energiju, što je naznačeno povećanjem brzine naboja pri kretanju prema pozitivno nabijenoj ploči.
Električna potencijalna energija u homogenom električnom polju
Električna potencijalna energija naboja kada se nalazi u određenom položaju nije poznata. Međutim, ako se naboj pomiče s jednog mjesta na drugo, promjena njegove električne potencijalne energije može se odrediti. Stoga je važna promjena potencijalne energije (ΔEP).
Za usporedbu, kada mango leži na stabljici, ima gravitacijsku potencijalnu energiju, ali se njezina vrijednost ne može znati. Ako se mango ubrzava prema tlu silom gravitacije, smanjenje gravitacijske potencijalne energije manga može se odrediti izračunima pomoću formule W = Δ EP = mgh, gdje je m = masa, g = gravitacijsko ubrzanje, h je udaljenost između stabljike manga i površine tla.
Slično tome, promjena električne potencijalne energije naboja može se znati kada se naboj ubrzava električnom silom od jedne točke do druge. Kao što je prethodno objašnjeno, ako se pozitivni naboj pomiče s pozitivno nabijene ploče na negativno nabijenu ploču, smanjenje električne potencijalne energije naboja izračunava se pomoću formule W = ΔEP = q E s , gdje je q = električni naboj, E = električno polje, a s je udaljenost između dvije ploče ili udaljenost između jednog mjesta i drugog. Slično tome, ako se negativni naboj pomiče s negativno nabijene ploče na pozitivno nabijenu ploču, povećanje električne potencijalne energije negativnog naboja izračunava se pomoću formule W = ΔEP = q E s.
Električna potencijalna energija dvaju točkastih naboja
Promjene u električnoj potencijalnoj energiji ne doživljavaju samo naboji u homogenom električnom polju, već i u električnom polju koje proizvodi jedan električni naboj. Pretpostavimo da postoji jedan naboj Q koji proizvodi električno polje, a naboj q je na udaljenosti r od naboja Q.
Informacije: k (Coulombova konstanta) = 9 x 109 nm2/C2, Q = električni naboj koji stvara električno polje, q = električni naboj koji se pomiče u električnom polju generiranom nabojem Q, s = r = udaljenost naboja q od naboja Q.
Ako oba naboja imaju isti predznak, + ili –, tada se dva naboja odbijaju ili udaljavaju jedan od drugoga tako da je promjena potencijalne energije pozitivna (električna potencijalna energija se povećava). To je slično objektu mase koji se kreće prema gore od Zemlje tako da se njegova visina i gravitacijska potencijalna energija povećavaju. Obrnuto, ako dva naboja imaju različite predznake, dva naboja se privlače ili približavaju jedan drugome tako da je promjena potencijalne energije negativna (električna potencijalna energija se smanjuje). To je slično objektu mase koji se kreće prema dolje prema Zemlji tako da se njegova visina i gravitacijska potencijalna energija smanjuju.
Električna sila je konzervativna sila, tako da oblik putanje naboja nema utjecaja na promjenu električne potencijalne energije. Ono što utječe na promjenu električne potencijalne energije su početni i konačni položaji naboja.
U sljedećoj temi obradit ćemo električni potencijal , fizikalnu veličinu koja je usko povezana s električnom potencijalnom energijom.
