Էլեկտրական պոտենցիալ էներգիա

Այս թեման ուսումնասիրելուց առաջ նախ հասկացեք բուհը կարիք չկաֆիզիկա, պահպանողական ոճ, էլեկտրական լիցք, Կուլոնի օրենքը Dan էլեկտրական դաշտ.

Էլեկտրական ուժը պահպանողական ուժ է

Բացի ձգողականության ուժից և զսպանակային ուժից, պահպանողական ուժի մեկ այլ օրինակ է էլեկտրական ուժը։ Որպեսզի ավելի լավ հասկանաք, թե ինչու է էլեկտրական ուժը կոչվում պահպանողական ուժ, կարդացեք հետևյալ բացատրությունը։

Ենթադրենք, որ նկարում պատկերված է երկու էլեկտրական լիցքավորված թիթեղ, ձախ թիթեղը դրական լիցքավորված է, իսկ աջը՝ բացասական։n բացասական։ Սլաքը միջև երկու թիթեղներն էլ էլեկտրական դաշտի գծեր yang դրական լիցքից դեպի բացասական լիցք։ Դրական լիցքը գտնվում է դրական լիցքավորված թիթեղի մոտ։

Էլեկտրական դաշտի առկայությունը դրական լիցք է առաջացնումif էլեկտրական ուժ է ազդում էլեկտրական դաշտի հետ նույն ուղղությամբ, որի պատճառով դրական լիցքը արագանում է դեպի աջ դեպի բացասական լիցքավորված թիթեղը։ Էլեկտրական ուժի ուղղությունը դեպի աջ է, նույն ուղղությամբ, ինչ շարժման ուղղություն լիցքը, որպեսզի էլեկտրական ուժը դրական աշխատանք կատարի լիցքի վրա։ Մաթեմատիկորեն, դրական լիցքի վրա էլեկտրական ուժի կատարած աշխատանքը հավասար է W = F s = q E s, dորտեղ W = աշխատանք, F = էլեկտրական ուժ, s = երկու թիթեղների միջև հեռավորություն, q = դրական լիցք, E = էլեկտրական դաշտ։

Բացասաբար լիցքավորված թիթեղին մոտենալուց հետո, եթե դրական լիցք ուզում եմվերադարձկարող է լինել իր սկզբնական դիրքին մոտ դրական լիցքավորված թիթեղ ապա ձեր ոճը անհրաժեշտ էար. Երբ լիցքը դրական է տեղափոխվել է դեպի ձախ դեպի դրական լիցքավորված թիթեղը, էլեկտրական ուժը մնում է ուղղված դեպի աջ, այնպես որ էլեկտրական ուժը լիցքի վրա կատարում է բացասական աշխատանք։ Մաթեմատիկորեն, դրական լիցքի վրա էլեկտրական ուժի կատարած աշխատանքը հավասար է W = – F s = – q E s։ 

Uդրական լիցքի վրա էլեկտրական ուժի գործադրած ընդհանուր ջանքերը, երբ բեռը շարժվում է դեպի աջ, ապա կրկին շարժվում է դեպի ձախ՝ իր սկզբնական դիրքին W = է ք Է ս – ք Է ս = 0։ Եթե ​​ուժի կողմից մարմնի վրա կատարած ընդհանուր աշխատանքը, երբ մարմինը հեռանում է իր սկզբնական դիրքից և վերադառնում է իր սկզբնական դիրքին, հավասար է զրոյի, ապա ուժը պահպանողական ուժ է։ Վերը նշված բացատրության հիման վրա կարելի է եզրակացնել, որ էլեկտրական ուժը պահպանողական ուժ է։

Էլեկտրական ուժ և էլեկտրական պոտենցիալ էներգիա

Պահպանողական ուժի կատարած աշխատանքը կապված է պոտենցիալ էներգիայի փոփոխության հետ։ Օրինակ՝ զանգվածի վրա ազդող գրավիտացիոն ուժի կատարած աշխատանքը փոխում է զանգվածի գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան։ Նմանապես, էլեկտրական ուժի կողմից էլեկտրական լիցքի վրա կատարած աշխատանքը փոխում է լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան։

Դրական լիցք միատարր էլեկտրական դաշտում

Ստորև բերված երկու նկարները պատկերում են պահպանողական ուժի կատարած աշխատանքի օրինակներ, որոնք առաջացնում են պոտենցիալ էներգիայի փոփոխություն: Գրավիտացիոն ուժի կատարած աշխատանքի և գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիայի փոփոխության բացատրությունները օգտագործվում են որպես համեմատություն՝ էլեկտրական ուժի կատարած աշխատանքի և էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի փոփոխության ըմբռնումը հեշտացնելու համար:

Ձախ կողմում գտնվող պատկերը ցույց է տալիս ընկնող առարկա։ bebas դեպի գետնի մակերեսը։ Բարձրության վրա գտնվելիս մարմինն ունի առավելագույն գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիա։ Երբ մարմինը շարժվում է դեպի ներքև, նրա վրա ազդում է ձգողականության ուժը։ Ձգողականության ուժի ուղղությունը նույնն է, ինչ մարմնի տեղաշարժի ուղղությունը, այսինքն՝ դեպի ներքև, ուստի ձգողականության ուժը կատարում է դրական աշխատանք։ Երբ մարմինը արագանում է դեպի ներքև, նրա բարձրությունը նվազում է, այդպիսով նվազեցնելով նրա ձգողականության պոտենցիալ էներգիան։ Երբ այն մոտենում է գետնին, գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան հասնում է իր նվազագույն արժեքին։ Կարելի է եզրակացնել, որ մարմնի վրա ազդող գրավիտացիոն ուժի կատարած դրական աշխատանքը նվազեցնում է մարմնի գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան։ Գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան չի կորչում, այլ վերածվում է կինետիկ էներգիայի, ինչը վկայում է մարմնի արագության աճող մասին ներքև շարժվելիս։

Աջ կողմում գտնվող պատկերը ցույց է տալիս դրական լիցք։f-ը դրական լիցքավորված թիթեղի մոտ է։ Երբ մոտ է դրական լիցքավորված թիթեղին, լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան առավելագույնն է։ Երկու թիթեղների միջև էլեկտրական դաշտի առկայությունը հանգեցնում է լիցքի արագացմանը՝ էլեկտրական ուժով։ դրական լիցքավորված թիթեղից դեպի բացասական լիցքավորված թիթեղ։ Երբ բեռը տեղափոխվում է աջ, էլեկտրական ուժ նաև նույն ուղղությամբ, ինչ լիցքի տեղաշարժը դեպի աջ է, ուստի էլեկտրական ուժը կատարում է դրական աշխատանք։ Շարժվելիս աջ կողմում լիցքի կինետիկ էներգիան մեծանում է, մինչդեռ էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան նվազում է։ Երբ այն մոտենում է բացասական լիցքավորված թիթեղին, լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան հասնում է իր նվազագույն արժեքին։ Կարելի է եզրակացնել, որ էլեկտրական ուժի կողմից կատարված դրական աշխատանքը բեռ, նվազեցնելով լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան։ Sընդհակառակը, ջիկա դրական լիցքը վերադառնում է իր սկզբնական դիրքին ապա լիցքի փոխանցման ուղղությունը ձախ է, հակառակ ուղղությանը էլեկտրական ուժը դեպի աջnՔանի որ էլեկտրական ուժը գործում է հակառակ ուղղություններով, այն դրական լիցքի վրա կատարում է բացասական աշխատանք։ Երբ այն շարժվում է դեպի ձախ, էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան մեծանում է։ Հետևաբար, կարելի է եզրակացնել, որ էլեկտրական ուժի կողմից լիցքի վրա կատարած բացասական աշխատանքը մեծացնում է լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան։

Բացասական լիցք միատարր էլեկտրական դաշտում

Ի տարբերություն դրական լիցքերի, բացասական լիցքերը ունեն առավելագույն էլեկտրական պոտենցիալ էներգիա, երբ գտնվում են բացասական լիցքավորված թիթեղի մոտ, և նվազագույն էլեկտրական պոտենցիալ էներգիա, երբ գտնվում են դրական լիցքավորված թիթեղի մոտ։ Բնականաբար, էլեկտրական լիցքերը բնականաբար տեղափոխվում են բարձր պոտենցիալից դեպի ցածր պոտենցիալ, ուստի բացասական լիցքերը նույնպես տեղափոխվում են բացասական լիցքավորված թիթեղից դեպի դրական լիցքավորված թիթեղ։ Բացասական լիցքի շարժման ուղղությունը ձախ է, իսկ էլեկտրական ուժի ուղղությունը՝ աջ, ուստի էլեկտրական ուժը կատարում է բացասական աշխատանք։ Ձախ շարժվելիս բացասական լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան նվազում է և ունենում է նվազագույն արժեք, երբ բացասական լիցքը մոտենում է դրական լիցքավորված թիթեղին։ Կարելի է եզրակացնել, որ էլեկտրական ուժի կատարած բացասական աշխատանքը նվազեցնում է բացասական լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան։ Էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան չի կորչում, այլ վերածվում է կինետիկ էներգիայի, ինչը ցույց է տալիս լիցքի արագության աճը դրական լիցքավորված թիթեղի ուղղությամբ շարժվելիս։

Էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան համասեռ էլեկտրական դաշտում

Լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան, երբ այն գտնվում է որոշակի դիրքում, անհայտ է։ Սակայն, եթե լիցքը տեղափոխվում է մեկ տեղից մյուսը, նրա էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունը կարելի է որոշել։ Հետևաբար, կարևորը պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունն է (ΔEP):

Համեմատության համար, երբ մանգոն ցողունի վրա է, այն ունի պոտենցիալ էներգիա։ ձգողականության ուժը, բայց դրա արժեքը հնարավոր չէ իմանալ։ Եթե մանգոն ձգողականության ուժով արագանում է դեպի գետնը, ապա նվազում Մանգոյի մրգի գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան կարելի է որոշել՝ օգտագործելով W բանաձևը։ = ΔEP = mgh, որտեղ m = զանգվածը, g = ձգողականության արագացումը, h-ը մանգոյի ցողունի և գետնի մակերևույթի միջև եղած հեռավորությունն է։

Նմանապես, լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունը կարելի է իմանալ, երբ լիցքը էլեկտրական ուժով արագանում է մեկ կետից մյուսը։ Ինչպես բացատրվել է նախկինում, եթե դրական լիցքը դրական լիցքավորված թիթեղից տեղափոխվում է ապա թիթեղը բացասական լիցքավորված է նվազում Լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան հաշվարկվում է բանաձևով W = ΔEP = q E s, որտեղ q = էլեկտրական լիցք, E = էլեկտրական դաշտ, իսկ s-ը երկու թիթեղների միջև հեռավորությունն է կամ մեկ վայրի և մյուսի միջև հեռավորությունը։ Նմանապես, եթե բացասական լիցքը բացասական լիցքավորված թիթեղից տեղափոխվում է դրական լիցքավորված թիթեղ, ապա աճ Բացասական լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան հաշվարկվում է W = ΔEP = բանաձևով ք Էս.

Երկու կետային լիցքերի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան

Էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունները նկատվում են ոչ միայն միատարր էլեկտրական դաշտում գտնվող լիցքերի կողմից, այլև մեկ էլեկտրական լիցքի կողմից ստեղծված էլեկտրական դաշտում։ Ենթադրենք, որ կա մեկ Q լիցք, որը ստեղծում է էլեկտրական դաշտ, և q լիցքը գտնվում է Q լիցքից r հեռավորության վրա։

Տեղեկություն: k (Կուլոնի հաստատուն) = 9 x 10⁹ Nm²/C², Q = էլեկտրական լիցք, որը ստեղծում է էլեկտրական դաշտ, q = էլեկտրական լիցք, որը տեղաշարժ է կրում Q լիցքի առաջացրած էլեկտրական դաշտում, s = r = q լիցքի հեռավորությունը Q լիցքից։

Եթե ​​երկու լիցքերն էլ ունեն նույն նշանը՝ + կամ -, ապա երկու լիցքերը վանում են միմյանց կամ հեռանում միմյանցից, այնպես որ պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունը դրական է (էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան մեծանում է): Սա նման է զանգվածային մարմնի շարժմանը դեպի վեր՝ Երկրից հեռանալուն, այնպես որ նրա բարձրությունը և գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան մեծանում են: Եվ հակառակը, եթե երկու լիցքերն ունեն տարբեր նշաններ, երկու լիցքերը ձգում են միմյանց կամ մոտենում միմյանց, այնպես որ պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունը բացասական է (էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան նվազում է): Սա նման է զանգվածային մարմնի շարժմանը դեպի ներքև՝ Երկրի ուղղությամբ, այնպես որ նրա բարձրությունը և գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան նվազում են:

Էլեկտրական ուժը պահպանողական ուժ է, ուստի լիցքի հետագծի ձևը ազդեցություն չունի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի փոփոխության վրա։ Էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի փոփոխության վրա ազդում են լիցքի սկզբնական և վերջնական դիրքերը։

Հաջորդ թեմայում կքննարկվի էլեկտրական պոտենցիալ, ֆիզիկական մեծություն, որը սերտորեն կապված է էլեկտրական պոտենցիալ էներգիա.