このトピックを学習する前に、まず物理学、保存力、電荷、クーロンの法則、電場に関する内容を理解してください。
電気力は保存力である
重力やバネの力以外にも、保存力の一例として電気力が挙げられます。電気力が保存力と呼ばれる理由をより深く理解するために、以下の説明をお読みください。
図に示すように、電気的に帯電した2枚の板があるとします。左側の板は正に帯電しており、右側の板は負に帯電しています。n 否定。矢印間の 両方のプレートは 電気力線 陽 正電荷から負電荷へ向かう方向。正電荷は正に帯電した板の近くにある。
電場が存在すると、正電荷は電場と同じ方向に電気力を受け、負に帯電した板に向かって右方向に加速されます。電気力の方向は右方向で、電荷の運動方向と同じ方向であるため、電気力は電荷に対して正の仕事をします。数学的には、電気力が正電荷に対して行う仕事はW = F s = q E s で表され、ここでW = 仕事、F = 電気力、s = 2 枚の板間の距離、q = 正電荷、E = 電場です。
負に帯電したプレートの近くに到達した後、 正電荷 したいケンバリすることができます 元の位置に戻す 近く 正に帯電したプレート あなたのスタイルが必要ですar。 電荷が正の場合 移動しました 左の方です 正に帯電したプレートに向かって電気力は右向きのままなので、電気力は電荷に対して負の仕事をします。数学的には、電気力が正電荷に対して行う仕事は W = – F s = – q E s です。
正電荷が右に移動し、その後再び左に移動して元の位置に戻る際に、電気力が正電荷に対して行う仕事の総量はW = q E s – q E s = 0です。物体が元の位置から離れて元の位置に戻る際に、力が物体に対して行う仕事の総量がゼロであれば、その力は保存力です。上記の説明に基づくと、電気力は保存力であると結論付けることができます。
電気力と電気ポテンシャルエネルギー
保存力が行う仕事は、位置エネルギーの変化と関係している。例えば、重力が質量に及ぼす仕事は、質量の重力による位置エネルギーを変化させる。同様に、電気力が電荷に及ぼす仕事は、電荷の電気的な位置エネルギーを変化させる。
均一な電場中の正電荷
以下の2つの図は、保存力が行う仕事によって位置エネルギーが変化する例を示しています。重力による仕事と重力による位置エネルギーの変化の説明は、電気力による仕事と電気による位置エネルギーの変化を理解しやすくするための比較として用いられています。
左側の画像は、落下する物体を示している。 ベバス 地表面に向かって。 物体は高い位置にあるとき、最大の重力ポテンシャルエネルギーを持つ。 物体が下方へ移動すると、重力が作用します。重力の方向は物体の変位の方向と同じ、つまり下向きなので、重力は正の仕事をします。物体が下方へ加速すると、高さが下がり、それによって重力による位置エネルギーが減少します。 物体が地面に到達する直前、重力による位置エネルギーは最小値となる。 重力が物体に対して行う正の仕事は、物体の重力ポテンシャルエネルギーを減少させると結論づけることができる。 重力による位置エネルギーは失われるのではなく、運動エネルギーに変換される。これは、物体が下方へ移動する際の速度の増加によって示される。
右側の画像は正電荷を示しています。fは正に帯電した板の近くにある。正に帯電した板の近くにあるとき、電荷の電気ポテンシャルエネルギーは最大になる。2枚の板の間に電場が存在すると、電荷は電気力によって加速される。 正に帯電したプレートから負に帯電したプレートへ。 荷物は右に移動する電気力 また、同じ方向に 電荷の変位は右方向であるため、電気力は正の仕事をします。 移動中 右方向では、電荷の運動エネルギーは増加する一方、電気的な位置エネルギーは減少する。 電荷が負に帯電した板の近くに到達すると、電荷の電気ポテンシャルエネルギーは最小値となる。 電気力が行う正の仕事は ムアタン電荷の電気的ポテンシャルエネルギーを減少させる。 Sそれどころか、 ジカ 正電荷が元の位置に戻る すると電荷移動の方向は左方向、つまり 右向きの電気力n電気力は正電荷と逆方向であるため、正電荷に対して負の仕事をします。電荷が左方向に移動するにつれて、電気ポテンシャルエネルギーは増加します。したがって、電気力が電荷に対して行う負の仕事は、電荷の電気ポテンシャルエネルギーを増加させると結論付けることができます。
均一な電場中の負電荷
正電荷とは異なり、負電荷は負に帯電した板の近くにあるときに最大の電気ポテンシャルエネルギーを持ち、正に帯電した板の近くにあるときに最小の電気ポテンシャルエネルギーを持ちます。当然ながら、電荷は高電位から低電位へと移動するため、負電荷も負に帯電した板から正に帯電した板へと移動します。負電荷の移動方向は左向きですが、電気力の方向は右向きであるため、電気力は負の仕事をします。左向きに移動する際、負電荷の電気ポテンシャルエネルギーは減少し、負電荷が正に帯電した板の近くに到達すると最小値になります。つまり、電気力による負の仕事は、負電荷の電気ポテンシャルエネルギーを減少させるということです。電気ポテンシャルエネルギーは失われるのではなく、運動エネルギーに変換されます。これは、正に帯電した板に向かって移動する際の電荷の速度の増加によって示されます。
均一な電場における電気ポテンシャルエネルギー
電荷が特定の位置にあるときの電気的ポテンシャルエネルギーは不明です。しかし、電荷がある場所から別の場所に移動した場合、その電気的ポテンシャルエネルギーの変化を求めることができます。したがって、重要なのはポテンシャルエネルギーの変化（ΔEP）です。
比較のために、マンゴーが茎に付いている状態では、重力による位置エネルギーはありますが、その値はわかりません。マンゴーが重力によって地面に向かって加速された場合、マンゴーの重力による位置エネルギーの減少は、W = Δ EP = mgh の式を用いて計算することで求めることができます。ここで、m は質量、g は重力加速度、h はマンゴーの茎と地面の間の距離です。
同様に、電荷が電気力によってある点から別の点へ加速されるとき、電荷の電気ポテンシャルエネルギーの変化を知ることができます。前述のように、正電荷が正に帯電したプレートから負に帯電したプレートへ移動する場合、電荷の電気ポテンシャルエネルギーの減少は、式W = Δ EP = q E s を使用して計算されます。ここで、q は電荷、E は電場、s は 2 つのプレート間の距離、またはある場所から別の場所への距離です。同様に、負電荷が負に帯電したプレートから正に帯電したプレートへ移動する場合、負電荷の電気ポテンシャルエネルギーの増加は、式 W = ΔEP = q E sを使用して計算されます。
2つの点電荷の電気的ポテンシャルエネルギー
電気ポテンシャルエネルギーの変化は、均一な電場内の電荷だけでなく、単一の電荷によって生成される電場内でも起こります。単一の電荷 Q が電場を生成し、電荷 q が電荷 Q から距離 r の位置にあるとします。
説明： k（クーロン定数）= 9 x 109 Nm2/C2, Q = 電場を生成する電荷、 q = 電荷 Q によって生成された電場内で変位を受ける電荷、 s = r = 電荷 q から電荷 Q までの距離。
両方の電荷が同じ符号（+または-）を持つ場合、2つの電荷は互いに反発し合い、互いに離れるため、位置エネルギーの変化は正（電気的位置エネルギーが増加）になります。これは、質量のある物体が地球から離れて上向きに移動することで、その高さと重力による位置エネルギーが増加するのと似ています。逆に、2つの電荷が異なる符号を持つ場合、2つの電荷は互いに引き合い、互いに近づくため、位置エネルギーの変化は負（電気的位置エネルギーが減少）になります。これは、質量のある物体が地球に向かって下向きに移動することで、その高さと重力による位置エネルギーが減少するのと似ています。
電気力は保存力であるため、電荷の経路の形状は電気ポテンシャルエネルギーの変化に影響を与えません。電気ポテンシャルエネルギーの変化に影響を与えるのは、電荷の初期位置と最終位置です。
次のトピックでは、電気ポテンシャルエネルギーと密接に関係する物理量である電気ポテンシャルについて復習します。
