Mielőtt elkezdenéd tanulmányozni ezt a témát, először ismerd meg a fizika , a konzervatív erők , az elektromos töltés , a Coulomb-törvény és az elektromos mezők anyagát.
Az elektromos erő konzervatív erő
A gravitációs erő és a rugóerő mellett a konzervatív erő egy másik példája az elektromos erő. Hogy jobban megértsük, miért nevezzük az elektromos erőt konzervatív erőnek, olvassuk el a következő magyarázatot.
Tegyük fel, hogy két elektromosan töltött lemez van, ahogy az a képen látható, a bal oldali lemez pozitív, a jobb oldali pedig negatív töltésű.n negatív. A nyíl a kettő között mindkét tányér elektromos erővonalak Yang pozitív töltésből negatív töltés felé. A pozitív töltés egy pozitív töltésű lemez közelében van.
Az elektromos tér jelenléte egy pozitív töltésre elektromos erőt hoz létre , amely megegyezik az elektromos tér irányával, így a pozitív töltés jobbra, a negatív töltésű lemez felé gyorsul. Az elektromos erő iránya jobbra van, a töltés mozgási irányával megegyező , így az elektromos erő pozitív munkát végez a töltésen. Matematikailag az elektromos erő által a pozitív töltésen végzett munka W = F s = q E s, ahol W = munka, F = elektromos erő, s = a két lemez közötti távolság, q = pozitív töltés, E = elektromos tér.
Miután a negatív töltésű lemez közelébe értünk, ha pozitív töltés akarokvisszatéréslehet eredeti helyzetébe közel pozitív töltésű lemez akkor a stílusodra van szükségar. Amikor a töltés pozitív költözött balra pozitív töltésű lemez felé, az elektromos erő továbbra is jobbra irányul, így az elektromos erő negatív munkát végez a töltésen. Matematikailag az elektromos erő által a pozitív töltésen végzett munka W = – F s = – q E s.
Az elektromos erő által pozitív töltésen végzett teljes munka , amikor a töltés jobbra, majd ismét balra mozdul el az eredeti helyzetébe: W = q E s – q E s = 0. Ha egy erő által egy testre kifejtett teljes munka, amikor a test elmozdul az eredeti helyzetéből, majd visszatér az eredeti helyzetébe, nulla, akkor az erő konzervatív erő. A fenti magyarázat alapján arra a következtetésre juthatunk, hogy az elektromos erő konzervatív erő.
Elektromos erő és elektromos potenciális energia
Egy konzervatív erő által végzett munka összefügg a potenciális energia változásával. Például a gravitációs erő által egy tömegre kifejtett munka megváltoztatja a tömeg gravitációs potenciális energiáját. Hasonlóképpen, az elektromos erő által egy elektromos töltésre kifejtett munka megváltoztatja a töltés elektromos potenciális energiáját.
Pozitív töltés homogén elektromos térben
Az alábbi két ábra egy konzervatív erő által végzett munkát szemléltet, amely a helyzeti energia változását okozza. A gravitációs erő által végzett munka és a gravitációs helyzeti energia változásának magyarázatát összehasonlításként használjuk, hogy megkönnyítsük az elektromos erő által végzett munka és az elektromos helyzeti energia változásának megértését.
A bal oldali képen egy leeső tárgy látható. ingyenes a földfelszín felé. Amikor egy tárgy magasságban van, a gravitációs potenciális energiája maximális. Amikor egy tárgy lefelé mozog, a gravitációs erő hat rá. A gravitációs erő iránya megegyezik a tárgy elmozdulásának irányával, nevezetesen lefelé, tehát a gravitációs erő pozitív munkát végez. Amikor egy tárgy lefelé gyorsul, a magassága csökken, ezáltal csökken a gravitációs potenciális energiája is. Amikor közeledik a talajhoz, a gravitációs potenciális energiája a minimális értéket éri el. Megállapítható, hogy a gravitációs erő által egy tárgyra gyakorolt pozitív munka csökkenti a tárgy gravitációs potenciális energiáját. A gravitációs potenciális energia nem vész el, hanem mozgási energiává alakul, amit a tárgy lefelé irányuló mozgása során növekvő sebessége jelez.
A jobb oldali képen egy pozitív töltés látható.Az f egy pozitív töltésű lemez közelében van. Pozitív töltésű lemez közelében a töltés elektromos helyzeti energiája a maximális. A két lemez közötti elektromos tér jelenléte a töltést a ...-ból ható elektromos erő gyorsítja. pozitív töltésű lemezt negatív töltésű lemezre. Amikor a rakomány jobbra mozdul, elektromos erő szintén ugyanabba az irányba, mint A töltés elmozdulása jobbra van, így az elektromos erő pozitív munkát végez. Mozgás közben jobbra a töltés mozgási energiája növekszik, míg az elektromos helyzeti energiája csökken. Amikor a negatív töltésű lemez közelébe ér, a töltés elektromos helyzeti energiája a minimális értéket éri el. Megállapítható, hogy az elektromos erő által végzett pozitív munka rakomány, csökkentve a töltés elektromos potenciális energiáját. Sellenkezőleg, Jika a pozitív töltés visszakerül eredeti helyére akkor a töltésátvitel iránya balra van, ellentétes az iránnyal elektromos erő jobbranMivel az elektromos erő ellentétes irányú, negatív munkát végez a pozitív töltésen. Balra haladva az elektromos helyzeti energia növekszik. Ezért arra a következtetésre juthatunk, hogy az elektromos erő által a töltésen végzett negatív munka növeli a töltés elektromos helyzeti energiáját.
Negatív töltés homogén elektromos térben
A pozitív töltésekkel ellentétben a negatív töltések elektromos helyzeti energiája maximális, míg elektromos helyzeti energiájuk minimális, amikor pozitív töltésű lemez közelében vannak. Természetesen az elektromos töltések természetes módon a nagy potenciálról az alacsony potenciálra mozognak, így a negatív töltések is a negatív töltésű lemezről a pozitív töltésű lemezre mozognak. A negatív töltés mozgásának iránya balra van, míg az elektromos erő iránya jobbra, így az elektromos erő negatív munkát végez. Balra haladva a negatív töltés elektromos helyzeti energiája csökken, és minimális értéket vesz fel, amikor a negatív töltés a pozitív töltésű lemez közelébe érkezik. Megállapítható, hogy az elektromos erő által végzett negatív munka csökkenti a negatív töltés elektromos helyzeti energiáját. Az elektromos helyzeti energia nem vész el, hanem mozgási energiává alakul, amit a töltés sebességének növekedése jelez a pozitív töltésű lemez felé haladva.
Elektromos potenciális energia homogén elektromos térben
Egy töltés elektromos helyzeti energiája egy adott helyzetben ismeretlen. Azonban, ha a töltés egyik helyről a másikra mozog, az elektromos helyzeti energiájának változása meghatározható. Ezért a helyzeti energia változása (ΔEP) számít.
Összehasonlításképpen, amikor egy mangó a szárán van, gravitációs potenciális energiája van, de ennek értéke nem ismert. Ha a mangót a gravitációs erő a talaj felé gyorsítja, a mangó gravitációs potenciális energiájának csökkenését a W = Δ EP = mgh képlettel lehet kiszámítani , ahol m = tömeg, g = gravitációs gyorsulás, h pedig a mangó szárának és a talajfelszínnek a távolsága.
Hasonlóképpen, egy töltés elektromos potenciális energiájának változása akkor ismert, amikor a töltést elektromos erő gyorsítja egyik pontból a másikba. Amint azt korábban kifejtettük, ha egy pozitív töltés egy pozitív töltésű lemezről egy negatív töltésű lemezre mozog, a töltés elektromos potenciális energiájának csökkenését a W = ΔEP = q E s képlettel számítjuk ki , ahol q = elektromos töltés, E = elektromos tér, és s a két lemez közötti távolság, vagy az egyik hely és a másik közötti távolság. Hasonlóképpen, ha egy negatív töltés egy negatív töltésű lemezről egy pozitív töltésű lemezre mozog, a negatív töltés elektromos potenciális energiájának növekedését a W = ΔEP = q E s képlettel számítjuk ki.
Két ponttöltés elektromos potenciális energiája
Az elektromos helyzeti energia változásait nemcsak a homogén elektromos térben lévő töltések érzékelik, hanem az egyetlen elektromos töltés által létrehozott elektromos tér is. Tegyük fel, hogy van egyetlen Q töltés, amely elektromos teret hoz létre, és a q töltés r távolságra van a Q töltéstől.
Információ: k (Coulomb-állandó) = 9 x 109 nm2/C2, Q = elektromos töltés, amely elektromos mezőt hoz létre, q = az az elektromos töltés, amely elmozdulást szenved a Q töltés által generált elektromos térben, s = r = a q töltés távolsága a Q töltéstől.
Ha mindkét töltés előjele azonos, + vagy –, akkor a két töltés taszítja egymást, vagy távolodik egymástól, így a helyzeti energia változása pozitív (az elektromos helyzeti energia növekszik). Ez hasonló ahhoz, amikor egy tömeges tárgy felfelé mozog a Földtől, így a magassága és a gravitációs helyzeti energiája növekszik. Fordítva, ha a két töltés előjele eltérő, a két töltés vonzza egymást, vagy közelebb kerül egymáshoz, így a helyzeti energia változása negatív (az elektromos helyzeti energia csökken). Ez hasonló ahhoz, amikor egy tömeges tárgy lefelé mozog a Föld felé, így a magassága és a gravitációs helyzeti energiája csökken.
Az elektromos erő konzervatív erő, így a töltés pályájának alakja nincs hatással az elektromos potenciális energia változására. Ami viszont befolyásolja az elektromos potenciális energia változását, az a töltés kezdeti és végső helyzete.
A következő témában az elektromos potenciált fogjuk áttekinteni , amely egy fizikai mennyiség, amely szorosan kapcsolódik az elektromos potenciális energiához.
