Rafmagnsorku

Áður en þú lærir þetta efni skaltu fyrst skilja efnið um eðlisfræði , varðveislukrafta , rafhleðslu , lögmál Coulombs og rafsvið.

Rafkraftur er varðveitandi kraftur

Auk þyngdarafls og fjaðurkrafts er rafkraftur annað dæmi um varfærniskraft. Til að skilja betur hvers vegna rafkraftur er kallaður varfærniskraftur, lestu eftirfarandi útskýringu.

Segjum sem svo að það séu tvær rafhlaðnar plötur eins og sést á myndinni, vinstri platan er jákvætt hlaðin og sú hægri er neikvætt hlaðin.n neikvætt. Örin á milli báðar plöturnar eru rafmagnslínur Yang úr jákvæðri hleðslu í átt að neikvæðri hleðslu. Jákvæð hleðsla er nálægt jákvætt hlaðinni plötu.

Tilvist rafsviðs veldur því að jákvæð hleðsla verður fyrir rafkrafti í sömu átt og rafsviðið, þannig að jákvæða hleðslan er hraðað til hægri í átt að neikvætt hlaðnu plötunni. Stefna rafkraftsins er til hægri, í sömu átt og hreyfingarátt hleðslunnar, þannig að rafkrafturinn vinnur jákvætt verk á hleðsluna. Stærðfræðilega séð er vinnan sem rafkrafturinn vinnur á jákvæða hleðslu W = F s = q E s, þar sem W = vinna, F = rafkraftur, s = fjarlægð milli platnanna tveggja, q = jákvæð hleðsla, E = rafsvið.

Eftir að hafa komið nálægt neikvætt hlaðna plötunni, ef jákvæð hleðsla viljaafturkomagetur verið í upprunalega stöðu sína nálægt jákvætt hlaðin plata þá er stíllinn þinn nauðsynlegurar. Þegar hleðslan er jákvæð flutti til vinstri í átt að jákvætt hlaðinni plötu, rafkrafturinn helst beint til hægri þannig að rafkrafturinn vinnur neikvæða vinnu á hleðsluna. Stærðfræðilega séð er vinnan sem rafkrafturinn vinnur á jákvæða hleðslu W = – F s = – q E s. 

Heildarvinnan sem rafkrafturinn vinnur á jákvæða hleðslu, þegar hleðslan færist til hægri og síðan aftur til vinstri í upprunalega stöðu sína, er W = q E s – q E s = 0. Ef heildarvinnan sem kraftur vinnur á hlut, þegar hluturinn færist frá upprunalegri stöðu sinni og síðan aftur í upprunalega stöðu sína, er núll, þá er krafturinn varfærniskraftur. Byggt á ofangreindri skýringu má álykta að rafkrafturinn sé varfærniskraftur.

Rafkraftur og rafstöðuorka

Vinna sem varðveislukraftur vinnur tengist breytingu á stöðuorku. Til dæmis breytir vinna sem þyngdarkraftur vinnur á massa þyngdarstöðuorku massans. Á sama hátt breytir vinna sem rafkraftur vinnur á rafhleðslu rafstöðuorku hleðslunnar.

Jákvæð hleðsla í einsleitu rafsviði

Myndirnar tvær hér að neðan sýna dæmi um vinnu sem varðveislukraftur vinnur og veldur breytingu á stöðuorku. Skýringar á vinnu sem þyngdarkrafturinn vinnur og breytingu á stöðuorku þyngdaraflsins eru notaðar sem samanburður til að auðvelda skilning á vinnu sem rafkrafturinn vinnur og breytingu á stöðuorku rafsegulsins.

Myndin vinstra megin sýnir hlut falla. frjáls í átt að jarðyfirborðinu. Þegar hlutur er í hæð hefur hann mesta þyngdarorku. Þegar hlutur færist niður á við verkar þyngdarkrafturinn á hann. Þyngdarkrafturinn er sá sami og hreyfing hlutarins, þ.e. niður á við, þannig að þyngdarkrafturinn vinnur jákvæða vinnu. Þegar hlutur hraðar sér niður á við minnkar hæð hans og þar með minnkar stöðuorka hans. Þegar það er að fara að ná til jarðar er þyngdarorkan í lágmarki. Hægt er að álykta að jákvæð vinna sem þyngdarkrafturinn vinnur á hlut dragi úr þyngdarorku hlutarins. Þyngdarorka tapast ekki heldur breytist í hreyfiorku, sem sést af auknum hraða hlutarins þegar hann hreyfist niður á við.

Myndin til hægri sýnir jákvæða hleðslu.f er nálægt jákvætt hlaðinni plötu. Þegar hún er nálægt jákvætt hlaðinni plötu er raforkuorka hleðslunnar í hámarki. Tilvist rafsviðs milli platnanna tveggja veldur því að rafkrafturinn frá jákvætt hlaðin plata á móti neikvætt hlaðinni plötu. Þegar álagið færist til hægri, rafafl einnig í sömu átt og Hleðslufærslan er til hægri, þannig að rafkrafturinn vinnur jákvætt. Á meðan á hreyfingu stendur Til hægri eykst hreyfiorka hleðslunnar á meðan rafstöðuorka minnkar. Þegar það kemur nálægt neikvætt hlaðnu plötunni er rafstöðuorka hleðslunnar lágmarksgildi. Það má álykta að jákvæð vinna rafkraftsins á farmur, sem dregur úr raforku hleðslunnar. Sþvert á móti, ef jákvæð hleðsla færist aftur í upprunalega stöðu sína þá er stefna hleðsluflutningsins til vinstri, gagnstæð stefna rafkraftur til hægrinÞar sem rafkrafturinn er í gagnstæða átt, vinnur hann neikvæða vinnu á jákvæðu hleðsluna. Þegar hann færist til vinstri eykst rafstöðuorkan. Þess vegna má álykta að neikvæða vinnan sem rafkrafturinn vinnur á hleðsluna eykur rafstöðuorku hleðslunnar.

Neikvæð hleðsla í einsleitu rafsviði

Ólíkt jákvæðum hleðslum hafa neikvæðar hleðslur hámarksraforku þegar þær eru nálægt neikvætt hlaðinni plötu og lágmarksraforku þegar þær eru nálægt jákvætt hlaðinni plötu. Rafhleðslur færast eðlilega frá háum spennu til lágs spennu, þannig að neikvæðar hleðslur færast einnig frá neikvætt hlaðinni plötu til jákvætt hlaðinnar plötu. Hreyfingarstefna neikvæðrar hleðslu er til vinstri, en stefna rafkraftsins er til hægri, þannig að rafkrafturinn vinnur neikvæða vinnu. Þegar hreyft er til vinstri minnkar raforkuorka neikvæðu hleðslunnar og hefur lágmarksgildi þegar neikvæða hleðslan kemur nálægt jákvætt hlaðnu plötunni. Má álykta að neikvæða vinnan sem rafkrafturinn vinnur dregur úr raforku neikvæðu hleðslunnar. Raforkan tapast ekki heldur breytist í hreyfiorku, sem sést af auknum hraða hleðslunnar þegar hún færist að jákvætt hlaðnu plötunni.

Rafmagnsorku í einsleitu rafsviði

Rafmagnsorku hleðslu þegar hún er á ákveðinni staðsetningu er óþekkt. Hins vegar, ef hleðslan færist frá einum stað til annars, er hægt að ákvarða breytingu á rafmagnsorku hennar. Þess vegna skiptir breytingin á stöðuorkunni (ΔEP) máli.

Til samanburðar má nefna að þegar mangó er á stilk sínum hefur það þyngdarorku en ekki er hægt að vita gildi hennar. Ef þyngdarafl hröðar mangóið til jarðar er hægt að ákvarða lækkun á þyngdarorku mangósins með útreikningum með formúlunni W = Δ EP = mgh, þar sem m = massi, g = þyngdarhröðun og h er fjarlægðin milli stilksins og yfirborðs jarðar.

Á sama hátt er hægt að vita breytinguna á rafstöðuorku hleðslu þegar rafkraftur hröðar hleðslunni frá einum stað til annars. Eins og áður hefur verið útskýrt, ef jákvæð hleðsla færist frá jákvætt hlaðinni plötu yfir á neikvætt hlaðna plötu, er minnkun rafstöðuorku hleðslunnar reiknuð með formúlunni W = ΔEP = q E s, þar sem q = rafhleðsla, E = rafsvið og s er fjarlægðin milli platnanna tveggja eða fjarlægðin milli eins staðar og annars. Á sama hátt, ef neikvæð hleðsla færist frá neikvætt hlaðinni plötu yfir á jákvætt hlaðna plötu, er aukning rafstöðuorku neikvæðu hleðslunnar reiknuð með formúlunni W = ΔEP = q E s.

Rafmagnsorku tveggja punkthleðslu

Breytingar á raforku verða ekki aðeins fyrir áhrifum af hleðslum í einsleitu rafsviði, heldur einnig í rafsviðinu sem myndast af einni rafhleðslu. Segjum sem svo að það sé ein hleðsla Q sem myndar rafsvið og hleðslan q er í fjarlægð r frá hleðslunni Q.

Upplýsingar: k (Coulombs fasti) = 9 x 10⁹ Nm²/C², Q = rafhleðsla sem myndar rafsvið, q = rafhleðsla sem færist til í rafsviðinu sem myndast af hleðslunni Q, s = r = fjarlægð hleðslu q frá hleðslu Q.

Ef báðar hleðslurnar hafa sama formmerki, + eða –, þá hrinda hleðslurnar hvor annarri frá sér eða fjarlægjast hvor aðra þannig að breytingin á stöðuorku verður jákvæð (rafmagnsstöðuorka eykst). Þetta er svipað og þegar massífur hlutur færist upp á við frá jörðinni þannig að hæð hans og þyngdarorkuorka aukast. Aftur á móti, ef hleðslurnar tvær hafa mismunandi formmerki, þá dragast hleðslurnar hvor að annarri eða færast nær hvor annarri þannig að breytingin á stöðuorku verður neikvæð (rafmagnsstöðuorka minnkar). Þetta er svipað og þegar massífur hlutur færist niður á við í átt að jörðinni þannig að hæð hans og þyngdarorkuorka minnka.

Rafkrafturinn er varfærnislegur kraftur, þannig að lögun leiðar hleðslunnar hefur engin áhrif á breytinguna á raforku. Það sem hefur áhrif á breytinguna á raforku eru upphafs- og lokastöður hleðslunnar.

Í næsta efnisatriði munum við skoða rafspennu , eðlisfræðilega stærð sem er nátengd rafstöðuorku.