Grein um raforku
Áður en þetta efni er skoðað er mikilvægt að skilja fyrst vinnu, varðveislukrafta, samband varðveislukrafta og stöðuorku , rafkrafta og rafsviðs.
Rafkraftur er varðveitandi kraftur
Auk þyngdarkraftsins og fjaðurkraftsins er rafkrafturinn annað dæmi um varðveislukraft. Til að skilja betur hvers vegna rafkrafturinn er kallaður varðveislukraftur er gott að skilja eftirfarandi útskýringu.
Segjum sem svo að það séu tvær rafhlaðnar plötur eins og sýnt er á myndinni, vinstri platan er jákvætt hlaðin og hægri platan er neikvætt hlaðin. Örin á milli platnanna tveggja sýnir rafsviðslínurnar sem koma frá jákvæðu hleðslunni að neikvæðu hleðslunni. Jákvæð hleðsla er nálægt jákvæðri rafhlaðinni plötu.
Nærvera rafsviðsins veldur því að jákvæða hleðslan verður fyrir rafkrafti í átt að rafsviðinu þannig að jákvæða hleðslan hröðast til hægri í átt að neikvætt hlaðnu plötunni. Rafkrafturinn stefnir til hægri, í átt að hreyfingu hleðslunnar, þannig að rafkrafturinn framkvæmir jákvætt verk á hleðsluna. Stærðfræðilega séð er vinnan sem rafkrafturinn vinnur á jákvæðu hleðsluna W = Fd = qEd, þar sem W = vinnan, F = rafkrafturinn, d = fjarlægðin milli platnanna tveggja, q = jákvæð hleðsla, E = rafsvið.
Eftir að plötunni er komið nálægt neikvætt hlaðnu plötunni, þarf ytri kraft til að færa jákvæða hleðslan aftur í upprunalega stöðu sína nálægt henni. Þegar jákvæða hleðslan færist til vinstri í átt að jákvætt hlaðnu plötunni, helst rafkrafturinn beint til hægri þannig að rafkrafturinn framkvæmir neikvæða vinnu á hleðsluna. Stærðfræðilega séð er vinnan sem rafkrafturinn framkvæmir á jákvæðu hleðsluna W = – Fd = – q Ed.
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 d – q E d = 0. Ef nettóvinnan sem krafturinn vinnur á hlutinn, þegar hann færist frá upprunalegri stöðu sinni og snýr síðan aftur í upprunalega stöðu sína, jafnt og núll, þá er krafturinn varfærniskraftur. Byggt á ofangreindri útskýringu má álykta að rafkrafturinn sé varfærniskraftur.
Rafkraftur og rafstöðuorka
Vinna sem varðveislukraftar vinna tengist breytingum á stöðuorku. Til dæmis breytir vinna sem þyngdarkraftur vinnur á massahluta þyngdarstöðuorku massahlutarins. Á sama hátt breytir vinna sem rafkraftur vinnur í rafhleðslu rafstöðuorku hleðslunnar.
Jákvæð hleðsla í einsleitu rafsviði
Myndirnar tvær hér að neðan sýna dæmi um vinnu sem varðveislukraftar vinna og valda breytingum á stöðuorku. Útskýring á vinnu sem þyngdarkrafturinn vinnur og breytingum á stöðuorku þyngdaraflsins er notuð til samanburðar.
til að auðvelda skilning á vinnu rafkraftsins og breytingum á rafstöðuorkunni.
Myndin vinstra megin sýnir hlut sem fellur frjálst að yfirborði jarðar. Þegar hann er efst hefur hann mesta þyngdarorku sína. Þegar hann hreyfist niður verkar þyngdarkrafturinn á hlutinn. Stefna þyngdarkraftsins er sú sama og hreyfingarstefna hlutarins sem er niðri, þannig að þyngdarkrafturinn vinnur jákvæða vinnu. Þegar hluturinn er hraðaður niður minnkar hæð hans þannig að þyngdarorku hans minnkar. Þegar hann kemur að jörðu er þyngdarorkan í lágmarki. Má álykta að jákvæð vinna sem þyngdarkrafturinn vinnur á hlutinn dregur úr þyngdarorku hans. Þyngdarorkan tapast ekki heldur breytist í hreyfiorku, sem sést með aukinni hraða hlutarins þegar hann hreyfist niður.
Myndin til hægri sýnir jákvæða hleðslu nálægt jákvætt hlaðinni plötu. Þegar hún er nálægt jákvætt hlaðinni plötu hefur rafstöðuorkan hámarksgildi. Tilvist rafsviðs milli platnanna tveggja veldur því að rafkrafturinn flýtir fyrir hleðslunni frá jákvætt hlaðnu plötunni til þeirrar neikvætt hlaðnu. Þegar hleðslan færist til hægri er rafkrafturinn einnig í þeirri átt sem hleðslufærslan færist til hægri, þannig að rafkrafturinn framkvæmir jákvæða vinnu. Þegar hún færist til hægri eykst hreyfiorka hleðslunnar á meðan rafstöðuorkan minnkar.
Þegar rafeind kemur að plötu með neikvæða hleðslu hefur hugsanleg raforka lágmarksgildi. Má álykta að jákvæð vinna sem rafkrafturinn vinnur á hleðsluna dragi úr hugsanlegri raforku hleðslunnar. Ef jákvæða hleðslan hins vegar færist aftur í upprunalega stöðu, þá breytist stefna hleðslunnar til vinstri, gagnstæð stefnu rafkraftsins til hægri. Vegna gagnstæðrar stefnu veldur rafkrafturinn neikvæðri vinnu á jákvæðu hleðsluna. Þegar rafeindin færist til vinstri eykst hugsanleg raforka. Því má álykta að neikvæða vinna sem rafkrafturinn vinnur á hleðsluna eykur hugsanlega raforku hleðslunnar.
Neikvæð hleðsla í einsleitu rafsviði
Ólíkt jákvæðri hleðslu hefur neikvæða hleðslan mestu rafstöðuorkuna þegar hún er nálægt neikvætt hlaðnu plötunni og lágmarks rafstöðuorkuna þegar hún er nálægt jákvæðu hlaðnu plötunni. Rafhleðslan færist að sjálfsögðu frá háu spennunni yfir í lága spennu, þannig að neikvæða hleðslan færist einnig frá neikvætt hlaðnu plötunni yfir á jákvæðu hlaðnu plötuna. Stefna neikvæðrar hleðslu er til vinstri, en stefna rafkraftsins er til hægri, þannig að rafkrafturinn framkvæmir neikvæða vinnu. Þegar fært er til vinstri minnkar rafstöðuorka neikvæðu hleðslunnar og hefur lágmarksgildi þegar neikvæða hleðslan kemur nálægt jákvæðu hlaðnu plötunni. Má álykta að neikvæða vinnan sem rafkrafturinn framkvæmir minnki rafstöðuorku neikvæðu hleðslunnar. Rafstöðuorkan tapast ekki heldur breytist í hreyfiorku sem einkennist af aukinni hraða hleðslunnar þegar hún færist nær jákvæðu hlaðnu plötunni.
Rafmagnsorku í einsleitu rafsviði
Ekki er hægt að vita gildi rafstöðuorku hleðslu þegar hún er á ákveðnum stað. En ef hleðslan færist frá einum stað til annars er hægt að reikna út breytingu á rafstöðuorku hleðslunnar. Það sem skiptir máli er því breytingin á stöðuorkunni. Breytingarnar á rafstöðuorkunni (ΔEP) er hægt að vita þegar jákvæða hleðslan færist frá háspennu (jákvætt hlaðin plata) yfir í lágspennu (neikvætt hlaðin plata).
Til samanburðar, þegar mangó er á stilknum, hefur það þyngdarorku, en gildi hennar er ekki hægt að vita. Ef þyngdarafl hraðar mangóávöxtinum til jarðar, er hægt að vita breytinguna á þyngdarorku mangósins með útreikningum með formúlunni W = ΔEP = mgh,
þar sem m = massi, g = þyngdarhröðun, h = fjarlægðin milli mangósins og yfirborðs jarðar.
Á sama hátt er hægt að vita breytingar á raforku hleðslu þegar rafkraftur hraði hleðslunnar frá einum punkti til annars. Eins og áður hefur verið útskýrt, ef jákvæða hleðslan færist frá jákvætt hlaðnu plötunni yfir á neikvætt hlaðnu plötuna,
Breytingin á rafstöðuorkunni er reiknuð með formúlunni W = ΔEP = q E d, þar sem q = rafhleðslan, E = rafsviðið og d = fjarlægðin milli staðar og annars staðar. Á sama hátt, ef neikvæða hleðslan færist frá neikvæða hlaðnu plötunni yfir á jákvætt hlaðnu plötuna, er aukningin á rafstöðuorku neikvæðu hleðslunnar reiknuð með formúlunni W = ΔEP = q E d.
Rafmagnsorkan tveggja punkthleðslu
Breytingar á raforku verða ekki aðeins fyrir áhrifum af hleðslunni í einsleitu rafsviði, heldur einnig af rafsviðinu sem myndast af einni rafhleðslu. Segjum sem svo að það sé ein hleðsla Q sem myndar rafsvið og hleðsla með q-gildið hefur fjarlægðina r frá hleðslunni Q.
Q = rafhleðsla sem veldur rafsviði
q = rafhleðsla sem færist til í rafsviðinu sem myndast af hleðslunni Q
d = r = fjarlægð hleðslu q frá hleðslu Q.
Ef báðar hleðslurnar hafa sama formerki, + eða -, þá hrinda hleðslurnar hvor annarri frá sér eða halda sig frá hvor annarri þannig að breytingar á stöðuorku verða jákvæðar (rafmagnsstöðuorka eykst). Þetta er eins og massífur hlutur sem færist upp á við frá jörðinni þannig að hæð hans og þyngdarorkan aukast. Aftur á móti, ef formerki beggja hleðslna er ekki það sama, þá toga hleðslurnar hvor í aðra eða nálgast hvor aðra þannig að breytingin á stöðuorku verður neikvæð (rafmagnsstöðuorkan minnkar). Þetta er eins og massífur hlutur sem færist niður á við og nálgast yfirborð jarðar þannig að hæð hans og þyngdarorkan minnka.
Rafkraftur er varfærinn kraftur, þess vegna hefur lögun hleðsluleiðarinnar ekki áhrif á breytingar á raforku. Það sem hefur áhrif á gildi breytinganna á raforku er upphafsstaða og lokastaða hleðslunnar.
Í næsta efni verður fjallað um rafspennu, eðlisfræðilega stærðir sem tengjast sterklega rafstöðuorku.
