Էլեկտրական պոտենցիալ էներգիա

Հոդված էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի մասին

Այս թեման ուսումնասիրելուց առաջ նախ հասկացեք աշխատանքը, պահպանողական ուժերը, պահպանողական ուժերի և պոտենցիալ էներգիայի միջև եղած կապը , էլեկտրական ուժերը և էլեկտրական դաշտը։

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, հասկացեք հետևյալ բացատրությունը։

Ենթադրենք, որ նկարում ցույց է տրված երկու էլեկտրական լիցքավորված թիթեղներ կան. ձախ թիթեղը դրական լիցքավորված է, իսկ աջ թիթեղը՝ բացասական: Երկու թիթեղների միջև ընկած նետը էլեկտրական դաշտի գծերն են, որոնք դրական լիցքից դուրս են գալիս դեպի բացասական լիցքը: Դրական լիցքը գտնվում է դրական էլեկտրական լիցքավորված թիթեղի մոտ:

Էլեկտրական դաշտի առկայությունը ստիպում է դրական լիցքը էլեկտրական ուժ զգալ էլեկտրական դաշտի ուղղությամբ, որպեսզի դրական լիցքը արագանա դեպի աջ՝ դեպի բացասական լիցքավորված թիթեղը։ Էլեկտրական ուժի ուղղությունը դեպի աջ՝ լիցքի շարժման ուղղությամբ, որպեսզի էլեկտրական ուժը լիցքի վրա կատարի դրական աշխատանք։ Մաթեմատիկորեն, դրական լիցքի վրա էլեկտրական ուժի կատարած աշխատանքը հավասար է W = F d = q E d, որտեղ W = աշխատանք, F = էլեկտրական ուժ, d = երկու թիթեղների միջև հեռավորություն, q = դրական լիցք, E = էլեկտրական դաշտ։

Բացասական լիցքավորված թիթեղին մոտ հասնելուց հետո, եթե դրական լիցքը պետք է վերադարձվի իր սկզբնական դիրքին՝ բացասական լիցքավորված թիթեղի մոտ, անհրաժեշտ է արտաքին ուժ։ Երբ դրական լիցքը տեղափոխվում է 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 կազմում է W = – F d = – q E d։

Դրական լիցքի վրա էլեկտրական ուժի կատարած ընդհանուր աշխատանքը, երբ այն տեղաշարժվում է դեպի աջ, ապա կրկին տեղաշարժվում է դեպի ձախ՝ դեպի իր սկզբնական դիրքը, կազմում է W = q E d – q E d = 0: Եթե մարմնի վրա ազդող ուժը կատարում է զրոյի հավասար զուտ աշխատանք, երբ մարմինը տեղաշարժվում է իր սկզբնական դիրքից և վերադառնում իր սկզբնական դիրքին, 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 ուժերի կատարած աշխատանքը կապված է պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունների հետ։ Օրինակ՝ զանգվածային մարմնի վրա ձգողական ուժի կատարած աշխատանքը փոխում է զանգվածային մարմնի ձգողական պոտենցիալ էներգիան։ Նմանապես, էլեկտրական լիցքում էլեկտրական ուժի կատարած աշխատանքը փոխում է լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան։

Դրական լիցքը համասեռ էլեկտրական դաշտում

Ստորև բերված երկու պատկերները պատկերում են պահպանողական ուժերի կատարած աշխատանքի օրինակներ, որոնք առաջացնում են պոտենցիալ էներգիայի փոփոխություններ: Ձգողականության ուժի կատարած աշխատանքի և գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունների բացատրությունը օգտագործվում է որպես համեմատություն։

հեշտացնել էլեկտրական ուժի կատարած աշխատանքի և էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունների ըմբռնումը։

Ձախ կողմում գտնվող պատկերը ցույց է տալիս մի մարմին, որը ազատորեն ընկնում է դեպի գետնի մակերեսը: Երբ մարմինները գտնվում են վերևում, նրանք ունեն առավելագույն գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիա: Ներքև շարժվելիս մարմնի վրա ազդում է գրավիտացիոն ուժը: Գրավիտացիոն ուժի ուղղությունը նույնն է, ինչ ներքև գտնվող մարմնի շարժման ուղղությունը, այնպես որ գրավիտացիոն ուժը կատարում է դրական աշխատանք: Ներքև արագացնելիս մարմնի բարձրությունը նվազում է, այնպես որ մարմնի գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան նվազում է: Գետնին հասնելուց հետո գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան նվազագույն է: Կարելի է եզրակացնել, որ մարմնի վրա գրավիտացիոն ուժի կատարած դրական աշխատանքը նվազեցնում է մարմնի գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան: Գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան չի կորչում, այլ փոխակերպվում է կինետիկ էներգիայի, ինչը ցույց է տալիս մարմնի արագության աճը, երբ այն շարժվում է ներքև:

Աջ կողմում գտնվող նկարը ցույց է տալիս դրական լիցքը դրական լիցքավորված թիթեղի մոտ։ Երբ այն գտնվում է դրական լիցքավորված թիթեղի մոտ, էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան ունի առավելագույն արժեք։ Երկու թիթեղների միջև էլեկտրական դաշտի առկայությունը հանգեցնում է լիցքի արագացմանը՝ դրական լիցքավորված թիթեղից դեպի բացասական լիցքավորված թիթեղ ազդող էլեկտրական ուժի ազդեցությամբ։ Երբ լիցքը շարժվում է դեպի աջ, էլեկտրական ուժը նույնպես ուղղված է լիցքի աջ տեղաշարժին, այնպես որ էլեկտրական ուժը կատարում է դրական աշխատանք։ Աջ շարժվելիս լիցքի կինետիկ էներգիան մեծանում է, մինչդեռ էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան նվազում է։

Բացասական լիցք ունեցող թիթեղին մոտենալիս պոտենցիալ էլեկտրական էներգիան ունի նվազագույն արժեք։ Կարելի է եզրակացնել, որ լիցքի վրա էլեկտրական ուժի կատարած դրական աշխատանքը նվազեցնում է լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան։ Եվ հակառակը, եթե դրական լիցքը տեղափոխվում է իր սկզբնական դիրք, ապա լիցքի ուղղությունը փոխվում է դեպի ձախ՝ էլեկտրական ուժի աջ ուղղվածության հակառակ։ Հակառակ ուղղության պատճառով էլեկտրական ուժը դրական լիցքի վրա կատարում է բացասական աշխատանք։ Ձախ տեղաշարժվելիս էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան մեծանում է։ Այսպիսով, կարելի է եզրակացնել, որ լիցքի վրա էլեկտրական ուժի կատարած բացասական աշխատանքը մեծացնում է լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան։

Բացասական լիցք միատարր էլեկտրական դաշտում

Ի տարբերություն դրական լիցքի, բացասական լիցքն ունի առավելագույն էլեկտրական պոտենցիալ էներգիա, երբ այն գտնվում է բացասական լիցքավորված թիթեղի մոտ, և նվազագույն էլեկտրական պոտենցիալ էներգիա՝ երբ գտնվում է դրական լիցքավորված թիթեղի մոտ։ Բնականաբար, էլեկտրական լիցքը տեղափոխվում է բարձր պոտենցիալից դեպի ցածր պոտենցիալ, ուստի բացասական լիցքը նույնպես տեղափոխվում է բացասական լիցքավորված թիթեղից դեպի դրական լիցքավորված թիթեղ։ Բացասական լիցքի տեղաշարժի ուղղությունը ձախ է, մինչդեռ էլեկտրական ուժի ուղղությունը՝ աջ, այնպես որ 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 փոխակերպվում է կինետիկ էներգիայի, որը բնութագրվում է լիցքի արագության մեծացմամբ՝ դրական լիցքավորված թիթեղի ուղղությամբ շարժվելիս։

Էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան համասեռ էլեկտրական դաշտում

Լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան, երբ այն գտնվում է որոշակի դիրքում, հնարավոր չէ իմանալ։ Սակայն, եթե լիցքը տեղափոխվում է մեկ տեղից մյուսը, կարելի է հաշվարկել լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունը։ Այսպիսով, իմաստալից է պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունը։ Էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի (ΔEP) փոփոխությունները կարելի է իմանալ, երբ դրական լիցքը տեղափոխվում է բարձր պոտենցիալից (դրական լիցքավորված թիթեղ) դեպի ցածր պոտենցիալ (բացասական լիցքավորված թիթեղ)։

Համեմատության համար, երբ մանգոն գտնվում է ցողունի վրա, այն ունի գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիա, բայց դրա արժեքը հնարավոր չէ իմանալ։ Եթե մանգոյի պտուղը գրավիտացիոն ուժով արագանում է դեպի գետնին, մանգոյի գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունը կարելի է իմանալ W = ΔEP = mgh բանաձևով հաշվարկի միջոցով։

որտեղ m = զանգված, g = գրավիտացիոն արագացում, h = մանգոյի և գետնի մակերևույթի միջև եղած հեռավորությունը։

Նմանապես, լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունները կարելի է իմանալ, երբ էլեկտրական ուժը լիցքը արագացնում է մեկ կետից մյուսը։ Ինչպես նախկինում բացատրվեց, եթե դրական լիցքը դրական լիցքավորված թիթեղից տեղափոխվում է բացասական լիցքավորված թիթեղ,

Էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունը հաշվարկվում է W = ΔEP = q E d բանաձևով, որտեղ q = էլեկտրական լիցքը, E = էլեկտրական դաշտը և d = մեկ վայրի և մեկ այլ վայրի միջև հեռավորությունը։ Նմանապես, եթե բացասական լիցքը տեղափոխվում է բացասական լիցքավորված թիթեղից դեպի դրական լիցքավորված թիթեղ, ապա բացասական լիցքի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի աճը հաշվարկվում է W = ΔEP = q E d բանաձևով։

Երկու կետային լիցքերի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան

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

Q = էլեկտրական լիցք, որը առաջացնում է էլեկտրական դաշտ

q = էլեկտրական լիցք, որը տեղաշարժվում է Q լիցքի կողմից առաջացած էլեկտրական դաշտում

d = r = q լիցքի հեռավորությունը Q լիցքից։

Եթե ​​երկու լիցքերն էլ ունեն նույն նշանը՝ + կամ -, ապա երկու լիցքերը վանում են միմյանց կամ հեռու են մնում միմյանցից, այնպես որ պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունները դրական են (էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան մեծանում է): Սա նման է զանգվածային մարմնի, որը շարժվում է դեպի վեր՝ հեռանալով Երկրից, այնպես որ նրա բարձրությունը և գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան մեծանում են: Եվ հակառակը, եթե երկու լիցքերի նշանը նույնը չէ, երկու լիցքերը քաշում են միմյանց կամ մոտենում միմյանց, այնպես որ պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունը բացասական է (էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան նվազում է): Սա նման է զանգվածային մարմնի, որը շարժվում է դեպի ներքև՝ մոտենալով Երկրի մակերեսին, այնպես որ նրա բարձրությունը և գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան նվազում են:

Էլեկտրական ուժը պահպանողական ուժ է, հետևաբար լիցքի հետագծի ձևը չի ազդում էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունների վրա։ Էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունների արժեքի վրա ազդում են լիցքի սկզբնական և վերջնական դիրքերը։

Հաջորդ թեմայում կուսումնասիրվի էլեկտրական պոտենցիալը՝ ֆիզիկական մեծություններ, որոնք սերտորեն կապված են էլեկտրական պոտենցիալ էներգիայի հետ։