სტატიკური ელექტროენერგია მე-12 კლასის ფიზიკის მნიშვნელოვანი თემაა. ის ეხება ელექტრულ მუხტებთან დაკავშირებულ მოვლენებს უძრაობის ან მოძრაობის მდგომარეობაში. ძირითადი ცნებების, კულონის კანონისა და ელექტრული ველების გაგება აუცილებელია სტატიკურ ელექტროენერგიასთან დაკავშირებული სხვადასხვა პრობლემის გადასაჭრელად. ამ სტატიაში განვიხილავთ სტატიკური ელექტროენერგიის პრობლემების რამდენიმე მაგალითს, რომლებიც ხშირად გვხვდება მე-12 კლასის გამოცდებში, მათ გადაწყვეტილებებთან ერთად.
სტატიკური ელექტროენერგიის ძირითადი ცნებები
სტატიკური ელექტროენერგია ობიექტის ზედაპირზე ელექტრული მუხტების დისბალანსის შედეგია. ეს მუხტი შეიძლება გადაეცეს ერთი ობიექტიდან მეორეზე ისეთი პროცესებით, როგორიცაა ხახუნი, გამტარობა და ინდუქცია.
– კულონის კანონი: ეს კანონი ხსნის ორ წერტილოვან ელექტრულ მუხტს შორის მიზიდულობის ან განზიდვის ძალას. კულონის კანონის ფორმულაა:
\[
F = k \frac{{|q_1 q_2|}}{{r^2}}
\]
სად:
– \( F \) არის მუხტებს შორის ძალა (ნიუტონი).
– k არის კულონის მუდმივა ((8.99 x 10^9, N m^2/C^2)).
– \(q_1 \) და \(q_2 \) არის მუხტების სიდიდეები (კულონებში).
– \(r \) არის ორ მუხტს შორის მანძილი (მეტრებში).
– ელექტრული ველი: ელექტრული ველი არის ელექტრული მუხტის გარშემო არსებული სივრცე, რომელშიც ელექტრული ძალა სხვა მუხტებსაც შეუძლიათ იგრძნონ. ელექტრული ველი (E) მუხტიდან (Q) მანძილზე (r) არის:
\[
E = k \frac{Q}{r^2}
\]
ნიმუშის კითხვები და დისკუსია
მაგალითი კითხვა 1: კულონის ძალა
კითხვა:
ორი ელექტრული მუხტი (2 x 10^{-6}, C) და (-3 x 10^{-6}, C) განლაგებულია 0,1 მეტრის დაშორებით. გამოთვალეთ კულონის ძალა ორ მუხტს შორის.
გამოსავალი:
გამოიყენეთ კულონის კანონის ფორმულა:
\[
F = k \frac{{|q_1 q_2|}}{{r^2}}
\]
ჩაანაცვლეთ ცნობილი მნიშვნელობები:
\[
F = 8.99 \times 10^9 \, \text{N m}^2/\text{C}^2 \times \frac{{(2 \times 10^{-6} \, \text{C})(3 \times 10^{-6} \, \text{C})}}{{(0,1 \, \text{m})^2}}
\]
\[
F = 8.99 \times 10^9 \times \frac{6 \times 10^{-12}}{0,01}
\]
\[
F = 8.99 \times 10^9 \times 6 \times 10^{-10}
\]
\[
F = 53,94 \times 10^{-1} \, \text{N}
\]
\[
F = 5,394 \, \text{N}
\]
ამგვარად, ორ მუხტს შორის კულონის ძალა 5,394 ნ-ია.
მაგალითი კითხვა 2: წერტილოვანი მუხტის ელექტრული ველი
კითხვა:
გამოთვალეთ ელექტრული ველი \(4 \x10^{-6} \, \text{C} \) მუხტიდან 0,05 მეტრის მანძილზე.
გამოსავალი:
გამოიყენეთ ელექტრული ველის ფორმულა:
\[
E = k \frac{Q}{r^2}
\]
ჩაანაცვლეთ ცნობილი მნიშვნელობები:
\[
E = 8.99 \times 10^9 \, \text{N m}^2/\text{C}^2 \times \frac{4 \times 10^{-6} \, \text{C}}{(0,05 \, \text{m})^2}
\]
\[
E = 8.99 \times 10^9 \times \frac{4 \times 10^{-6}}{0,0025}
\]
\[
E = 8.99 \times 10^9 \times 1,6 \times 10^{-3}
\]
\[
E = 14,384 \times 10^6 \, \text{N/C}
\]
\[
E = 1,4384 \times 10^7 \, \text{N/C}
\]
ამგვარად, მუხტიდან 0,05 მეტრის მანძილზე ელექტრული ველი არის \(1,4384 \x 10^7 \, \text{N/C} \).
მაგალითი კითხვა 3: ელექტრული პოტენციალი
კითხვა:
გარკვეულ წერტილში მოთავსებულია \(5 \x10^{-6} \, \text{C} \) მუხტი. გამოთვალეთ ელექტრული პოტენციალი მუხტიდან 0,2 მეტრის დაშორებით.
გამოსავალი:
გამოიყენეთ ელექტრული პოტენციალის ფორმულა:
\[
V = k \frac{Q}{r}
\]
ჩაანაცვლეთ ცნობილი მნიშვნელობები:
\[
V = 8.99 \times 10^9 \, \text{N m}^2/\text{C}^2 \times \frac{5 \times 10^{-6} \, \text{C}}{0,2 \, \text{m}}
\]
\[
V = 8.99 \times 10^9 \times 25 \times 10^{-6}
\]
\[
V = 224,75 \times 10^3 \, \text{V}
\]
\[
V = 2,2475 \times 10^5 \, \text{V}
\]
ამგვარად, მუხტიდან 0,2 მეტრის მანძილზე ელექტრული პოტენციალია \(2,2475 \x10^5 \, \text{V} \).
მაგალითი კითხვა 4: ელექტრული პოტენციური ენერგია
კითხვა:
ორი მუხტი (3 x 10^{-6}, C) და (-2 x 10^{-6}, C) ერთმანეთისგან 0,1 მეტრის დაშორებით მდებარეობს. გამოთვალეთ სისტემის ელექტრული პოტენციური ენერგია.
გამოსავალი:
გამოიყენეთ ელექტრული პოტენციური ენერგიის ფორმულა:
\[
U = k \frac{q_1 q_2}{r}
\]
ჩაანაცვლეთ ცნობილი მნიშვნელობები:
\[
U = 8.99 \times 10^9 \, \text{N m}^2/\text{C}^2 \times \frac{(3 \times 10^{-6} \, \text{C})(-2 \times 10^{-6} \, \text{C})}{0,1 \, \text{m}}
\]
\[
U = 8.99 \times 10^9 \times \frac{-6 \times 10^{-12}}{0,1}
\]
\[
U = -5,394 \times 10^{-1} \, \text{J}
\]
\[
U = -0,5394 \, \text{J}
\]
ასე რომ, სისტემის ელექტრული პოტენციური ენერგიაა -0,5394 J.
დასკვნა
სტატიკური ელექტროენერგიის გაგება და ისეთი ფუნდამენტური ცნებების გამოყენება, როგორიცაა კულონის კანონი, ელექტრული ველები, ელექტრული პოტენციალი და ელექტრული პოტენციური ენერგია, უმნიშვნელოვანესია მე-12 კლასის ფიზიკაში. ზემოთ მოცემული მაგალითების ამოცანების შესწავლით, მოსწავლეები უკეთ გაიგებენ ამ ცნებებს და შეძლებენ მათ გამოყენებას სხვადასხვა სიტუაციაში. ეს ამოცანები ასევე ეხმარება მოსწავლეებს მომავალში უფრო რთული გამოცდებისა და გამოწვევებისთვის მომზადებაში.
სტატიკური ელექტროენერგიის სხვადასხვა ტიპის ამოცანების პრაქტიკა გააძლიერებს თქვენს კონცეპტუალურ გაგებას და გააუმჯობესებს პრობლემების გადაჭრის უნარებს. პრობლემებზე მუშაობამდე ყოველთვის დარწმუნდით, რომ გესმით თეორიული საფუძვლები, რადგან მყარი გაგება დაგეხმარებათ პრობლემების უფრო ეფექტურად და ზუსტად გადაჭრაში.
