Članak o električnoj potencijalnoj energiji
Prije proučavanja ove teme, prvo treba razumjeti rad, konzervativne sile, odnos između konzervativnih sila i potencijalne energije , električne sile i električno polje.
Električna sila je konzervativna sila
Uz gravitacijsku silu i silu opruge, još jedan primjer konzervativne sile je električna sila. Da biste bolje razumjeli zašto se električna sila naziva konzervativnom silom, shvatite sljedeće objašnjenje.
Pretpostavimo da postoje dvije električno nabijene ploče kao što je prikazano na slici, lijeva ploča je pozitivno nabijena, a desna ploča negativno nabijena. Strelica između dvije ploče predstavlja linije električnog polja koje izlaze iz pozitivnog naboja prema negativnom naboju. Pozitivan naboj nalazi se blizu pozitivno električno nabijene ploče.
Prisutnost električnog polja uzrokuje da pozitivni naboj osjeća električnu silu u smjeru električnog polja, tako da se pozitivni naboj ubrzava udesno prema negativno nabijenoj ploči. Smjer električne sile je udesno, u smjeru gibanja naboja, tako da električna sila vrši pozitivan rad na naboju. Matematički, rad koji električna sila vrši na pozitivnom naboju je W = F d = q E d, gdje je W = rad, F = električna sila, d = udaljenost između dvije ploče, q = pozitivni naboj, E = električno polje.
Nakon dolaska u blizinu negativno nabijene ploče, ako se pozitivni naboj želi vratiti u prvobitni položaj u blizini negativno nabijene ploče, potrebna je vanjska sila. Kada se pozitivni naboj pomiče ulijevo 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 d = – q E d.
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 d – q E d = 0. Ako je neto rad koji izvrši sila 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 obavljaju konzervativne sile povezan je s promjenama potencijalne energije. Na primjer, rad koji obavlja gravitacijska sila na objektu mase mijenja gravitacijsku potencijalnu energiju objekta mase. Slično tome, rad koji obavlja električna sila u električnom naboju mijenja električnu potencijalnu energiju naboja.
Pozitivni naboj u homogenom električnom polju
Dvije slike u nastavku ilustriraju primjere rada konzervativnih sila koje uzrokuju promjene potencijalne energije. Objašnjenje rada sile gravitacije i promjena gravitacijske potencijalne energije koristi se kao usporedba.
kako bi se olakšalo razumijevanje rada koji obavlja električna sila i promjena električne potencijalne energije.
Slika lijevo prikazuje objekt koji slobodno pada prema površini tla. Kada su na vrhu, objekti imaju maksimalnu gravitacijsku potencijalnu energiju. Pri kretanju prema dolje, gravitacijska sila djeluje na objekt. Smjer gravitacijske sile isti je kao i smjer kretanja objekta koji je prema dolje, tako da gravitacijska sila obavlja pozitivan rad. Pri ubrzavanju prema dolje, visina objekta se smanjuje tako da se gravitacijska potencijalna energija objekta smanjuje. Pri dolasku na tlo, gravitacijska potencijalna energija je minimalna. 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 mijenja u kinetičku energiju, što je naznačeno povećanjem brzine objekta kada se kreće prema dolje.
Slika desno prikazuje pozitivni naboj u blizini pozitivno nabijene ploče. U blizini pozitivno nabijene ploče, električna potencijalna energija ima maksimalnu vrijednost. Prisutnost električnog polja između dvije ploče uzrokuje ubrzanje naboja električnom silom od pozitivno nabijene ploče do negativno nabijene ploče. Kada se naboj pomiče udesno, električna sila je također u smjeru pomicanja naboja udesno, tako da električna sila obavlja pozitivan rad. Tijekom kretanja udesno, kinetička energija naboja se povećava, dok se električna potencijalna energija smanjuje.
Pri dolasku u blizinu ploče s negativnim nabojem, potencijalna električna energija ima minimalnu vrijednost. Može se zaključiti da pozitivan rad koji električna sila vrši na naboj smanjuje električnu potencijalnu energiju naboja. Suprotno tome, ako se pozitivni naboj vrati u prvobitni položaj, tada se smjer naboja mijenja ulijevo, suprotno od smjera električne sile udesno. Zbog suprotnog smjera, električna sila vrši negativni rad na pozitivnom naboju. Pri pomicanju ulijevo, električna potencijalna energija se povećava. Dakle, može se zaključiti da negativni rad koji električna sila vrši na naboj povećava električnu potencijalnu energiju naboja.
Negativni naboj u homogenom električnom polju
Za razliku od pozitivnog naboja, negativni naboj ima maksimalnu električnu potencijalnu energiju kada je blizu negativno nabijene ploče, a minimalnu električnu potencijalnu energiju kada je blizu pozitivno nabijene ploče. Prirodno, električni naboj se pomiče od visokog potencijala prema niskom potencijalu, pa se i negativni naboj pomiče s negativno nabijene ploče na pozitivno nabijenu ploču. Smjer pomicanja negativnog naboja je lijevo, dok je smjer električne sile desno, tako da električna sila vrši negativni rad. Pri kretanju ulijevo, električna potencijalna energija negativnog naboja se smanjuje i ima minimalnu vrijednost kada negativni naboj stigne blizu pozitivno nabijene ploče. Može se zaključiti da negativni rad koji vrši električna sila smanjuje električnu potencijalnu energiju negativnog naboja. Električna potencijalna energija se ne gubi, već se pretvara u kinetičku energiju koja se karakterizira povećanjem brzine naboja pri kretanju prema pozitivno nabijenoj ploči.
Električna potencijalna energija u homogenom električnom polju
Vrijednost električne potencijalne energije naboja ne može se znati kada se naboj nalazi u određenom položaju. Ali ako se naboj pomiče s jednog mjesta na drugo, može se izračunati promjena električne potencijalne energije naboja. Dakle, ono što je značajno je promjena potencijalne energije. Promjene električne potencijalne energije (ΔEP) mogu se znati kada se pozitivni naboj pomiče s visokog potencijala (pozitivno nabijena ploča) na niski potencijal (negativno nabijena ploča).
Za usporedbu, kada je mango na stabljici, mango ima gravitacijsku potencijalnu energiju, ali se njezina vrijednost ne može znati. Ako se plod manga ubrzava prema tlu gravitacijskom silom, promjena gravitacijske potencijalne energije manga može se znati izračunom pomoću formule W = ΔEP = mgh,
gdje je m = masa, g = gravitacijsko ubrzanje, h = udaljenost između manga i površine tla.
Slično tome, promjene električne potencijalne energije naboja mogu se znati kada električna sila ubrzava naboj od jedne točke do druge. Kao što je prethodno objašnjeno, ako se pozitivni naboj pomiče s pozitivno nabijene ploče na negativno nabijenu ploču,
Promjena električne potencijalne energije izračunava se pomoću formule W = ΔEP = q E d, gdje je q = električni naboj, E = električno polje i d = 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 d.
Električna potencijalna energija dvaju točkastih naboja
Promjene u električnoj potencijalnoj energiji ne doživljava samo naboj u homogenom električnom polju, već i električno polje koje proizvodi jedan električni naboj. Pretpostavimo da postoji jedan naboj Q koji proizvodi električno polje, a naboj q je udaljen r od naboja Q.
Q = električni naboj koji uzrokuje električno polje
q = električni naboj koji se pomiče u električnom polju koje stvara naboj Q
d = r = udaljenost naboja q od naboja Q.
Ako oba naboja imaju isti predznak, + ili -, tada se dva naboja međusobno odbijaju ili se udaljavaju jedan od drugoga tako da su promjene potencijalne energije pozitivne (električna potencijalna energija se povećava). To je kao da se objekt mase kreće prema gore od Zemlje tako da se njegova visina i gravitacijska potencijalna energija povećavaju. Obrnuto, ako predznak oba naboja nije isti, dva naboja se međusobno privlače ili približavaju tako da je promjena potencijalne energije negativna (električna potencijalna energija se smanjuje). To je kao da se objekt mase kreće prema dolje i približava površini Zemlje tako da se njegova visina i gravitacijska potencijalna energija smanjuju.
Električna sila je konzervativna sila, stoga oblik putanje naboja ne utječe na promjene električne potencijalne energije. Ono što utječe na vrijednost promjena električne potencijalne energije jest početni i konačni položaj naboja.
U sljedećoj temi proučavat će se električni potencijal, fizičke veličine koje su snažno povezane s električnom potencijalnom energijom.
