Prieš studijuodami šią temą, pirmiausia supraskite fizikos , konservatyviųjų jėgų , elektros krūvio , Kulono dėsnio ir elektrinių laukų temą.
Elektros jėga yra konservatyvi jėga
Be gravitacinės jėgos ir spyruoklės jėgos, kitas konservatyviosios jėgos pavyzdys yra elektrinė jėga. Norėdami geriau suprasti, kodėl elektrinė jėga vadinama konservatyviąja jėga, perskaitykite toliau pateiktą paaiškinimą.
Tarkime, kad yra dvi elektra įkrautos plokštės, kaip parodyta paveikslėlyje, kairioji plokštė yra teigiamai įkrauta, o dešinioji - neigiamai.n neigiamas. Rodyklė tarp abi plokštės yra elektrinio lauko linijos Yang iš teigiamo krūvio link neigiamo krūvio. Teigiamas krūvis yra šalia teigiamai įkrautos plokštelės.
Dėl elektrinio lauko teigiamas krūvis veikiamas elektros jėgos ta pačia kryptimi kaip ir elektrinis laukas, todėl teigiamas krūvis greitėja į dešinę, neigiamai įkrautos plokštės link. Elektros jėgos kryptis yra į dešinę, ta pačia kryptimi kaip ir krūvio judėjimo kryptis , todėl elektrinė jėga atlieka teigiamą darbą su krūviu. Matematiškai elektrinės jėgos atliekamas darbas su teigiamu krūviu yra W = Fs = qEs , kur W = darbas, F = elektrinė jėga, s = atstumas tarp dviejų plokščių, q = teigiamas krūvis, E = elektrinis laukas.
Priartėjus prie neigiamai įkrautos plokštės, jei teigiamas krūvis noriukembalisgali būti į pradinę padėtį šalia teigiamai įkrauta plokštelė tada reikalingas tavo stiliusar. Kai krūvis yra teigiamas persikėlė į kairę link teigiamai įkrautos plokštės, elektros jėga išlieka nukreipta į dešinę, todėl elektros jėga atlieka neigiamą darbą su krūviu. Matematiškai elektros jėgos atliekamas darbas su teigiamu krūviu yra W = – F s = – q E s.
Bendras elektrinės jėgos atliekamas darbas, veikiantis teigiamą krūvį, kai krūvis juda į dešinę, o po to vėl juda į kairę į pradinę padėtį, yra W = q E s – q E s = 0. Jei bendras jėgos atliekamas darbas, veikiantis objektą, kai objektas juda iš pradinės padėties ir vėl grįžta į pradinę padėtį, yra lygus nuliui, tai jėga yra konservatyvioji jėga. Remiantis aukščiau pateiktu paaiškinimu, galima daryti išvadą, kad elektrinė jėga yra konservatyvioji jėga.
Elektrinė jėga ir elektrinė potencialinė energija
Konservatyviosios jėgos atliekamas darbas yra susijęs su potencialinės energijos pokyčiu. Pavyzdžiui, gravitacinės jėgos atliekamas darbas masei keičia masės gravitacinę potencialinę energiją. Panašiai ir elektrinės jėgos atliekamas darbas elektros krūviui keičia krūvio elektrinę potencialinę energiją.
Teigiamas krūvis homogeniniame elektriniame lauke
Žemiau pateikti du paveikslai iliustruoja konservatyviosios jėgos atliekamo darbo, sukeliančio potencialinės energijos pokytį, pavyzdžius. Gravitacinės jėgos atliekamo darbo ir gravitacinės potencialinės energijos pokyčio paaiškinimai naudojami kaip palyginimas, siekiant palengvinti elektros jėgos atliekamo darbo ir elektrinės potencialinės energijos pokyčio supratimą.
Kairėje pusėje esančiame paveikslėlyje matyti krintantis objektas. bebas link žemės paviršiaus. Kai objektas yra aukštyje, jo gravitacinė potencialinė energija yra didžiausia. Kai objektas juda žemyn, jį veikia gravitacijos jėga. Gravitacijos jėgos kryptis sutampa su objekto poslinkio kryptimi, t. y. žemyn, todėl gravitacijos jėga atlieka teigiamą darbą. Kai objektas greitėja žemyn, jo aukštis mažėja, todėl sumažėja ir gravitacinė potencialinė energija. Kai jis artėja prie žemės, gravitacinė potencialinė energija yra minimali. Galima daryti išvadą, kad gravitacinės jėgos atliekamas teigiamas darbas objekte sumažina objekto gravitacinę potencialinę energiją. Gravitacinė potencialinė energija neprarandama, o paverčiama kinetine energija, kurią rodo didėjantis objekto greitis judant žemyn.
Dešinėje pusėje esančiame paveikslėlyje matomas teigiamas krūvis.f yra šalia teigiamai įkrautos plokštės. Kai ji yra šalia teigiamai įkrautos plokštės, krūvio elektrinė potencialinė energija yra maksimali. Elektrinio lauko buvimas tarp dviejų plokščių sukelia krūvio greitėjimą dėl elektrinės jėgos, susidarančios iš teigiamai įkrauta plokštelė neigiamai įkrauta plokštele. Kai krovinys juda į dešinę, elektros jėga taip pat ta pačia kryptimi kaip Krūvio poslinkis yra į dešinę, todėl elektros jėga atlieka teigiamą darbą. Judant dešinėje, krūvio kinetinė energija didėja, o elektrinė potencialinė energija mažėja. Kai jis priartėja prie neigiamai įkrautos plokštės, krūvio elektrinė potencialinė energija yra minimali. Galima daryti išvadą, kad teigiamas darbas, kurį atlieka elektros jėga krovinys, sumažindamas krūvio elektrinę potencialinę energiją. Spriešingai, jika teigiamas krūvis grąžinamas į pradinę padėtį tada krūvio perdavimo kryptis yra į kairę, priešinga krypčiai elektros jėga į dešinęnKadangi elektros jėga veikia priešingomis kryptimis, ji atlieka neigiamą darbą su teigiamu krūviu. Jai judant į kairę, elektrinė potencialinė energija didėja. Todėl galima daryti išvadą, kad neigiamas darbas, kurį elektrinė jėga atlieka krūviui, padidina krūvio elektrinę potencialinę energiją.
Neigiamas krūvis homogeniniame elektriniame lauke
Skirtingai nuo teigiamų krūvių, neigiami krūviai turi didžiausią elektrinę potencialinę energiją, kai jie yra arti neigiamai įkrautos plokštės, ir mažiausią elektrinę potencialinę energiją, kai jie yra arti teigiamai įkrautos plokštės. Natūralu, kad elektros krūviai natūraliai juda nuo didelio potencialo iki mažo potencialo, todėl neigiami krūviai taip pat juda iš neigiamai įkrautos plokštės į teigiamai įkrautą plokštę. Neigiamo krūvio judėjimo kryptis yra į kairę, o elektros jėgos kryptis – į dešinę, todėl elektros jėga atlieka neigiamą darbą. Judant į kairę, neigiamo krūvio elektrinė potencialinė energija mažėja ir pasiekia minimalią vertę, kai neigiamas krūvis artėja prie teigiamai įkrautos plokštės. Galima daryti išvadą, kad neigiamas elektros jėgos atliekamas darbas sumažina neigiamo krūvio elektrinę potencialinę energiją. Elektrinė potencialinė energija neprarandama, o paverčiama kinetine energija, ką rodo didėjantis krūvio greitis judant link teigiamai įkrautos plokštės.
Elektrinė potencialinė energija homogeniniame elektriniame lauke
Krūvio elektrinė potencialinė energija, kai jis yra tam tikroje padėtyje, nežinoma. Tačiau jei krūvis juda iš vienos vietos į kitą, galima nustatyti jo elektrinės potencialinės energijos pokytį. Todėl svarbus yra potencialinės energijos pokytis (ΔEP).
Palyginimui, kai mangas yra ant stiebo, jis turi gravitacinę potencialinę energiją, bet jos vertės negalima žinoti. Jei mangą gravitacijos jėga įgreitina iki žemės, mango gravitacinės potencialinės energijos sumažėjimą galima nustatyti skaičiavimais, naudojant formulę W = Δ EP = mgh, kur m = masė, g = gravitacinis pagreitis, h yra atstumas tarp mango stiebo ir žemės paviršiaus.
Taip pat krūvio elektrinės potencialinės energijos pokytį galima nustatyti, kai krūvį iš vieno taško į kitą greitina elektrinė jėga. Kaip paaiškinta anksčiau, jei teigiamas krūvis juda iš teigiamai įkrautos plokštės į neigiamai įkrautą plokštę, krūvio elektrinės potencialinės energijos sumažėjimas apskaičiuojamas pagal formulę W = ΔEP = q E s, kur q = elektrinis krūvis, E = elektrinis laukas, o s yra atstumas tarp dviejų plokščių arba atstumas tarp vienos vietos ir kitos. Taip pat, jei neigiamas krūvis juda iš neigiamai įkrautos plokštės į teigiamai įkrautą plokštę, neigiamo krūvio elektrinės potencialinės energijos padidėjimas apskaičiuojamas pagal formulę W = ΔEP = q E s.
Dviejų taškinių krūvių elektrinė potencialinė energija
Elektrinės potencialinės energijos pokyčius patiria ne tik homogeninio elektrinio lauko krūviai, bet ir vieno elektros krūvio sukuriamas elektrinis laukas. Tarkime, kad yra vienas krūvis Q, kuris sukuria elektrinį lauką, o krūvis q yra nutolęs r nuo krūvio Q.
Informacija: k (Kulombo konstanta) = 9 x 109 Nm2/C2, Q = elektros krūvis, sukuriantis elektrinį lauką, q = elektros krūvis, kuris pasislenka krūvio Q sukuriamame elektriniame lauke, s = r = krūvio q atstumas nuo krūvio Q.
Jei abu krūviai turi tą patį ženklą, + arba –, tai du krūviai stumia vienas kitą arba tolsta vienas nuo kito taip, kad potencialinės energijos pokytis yra teigiamas (didėja elektros potencialinė energija). Tai panašu į masės objekto judėjimą aukštyn tolyn nuo Žemės taip, kad jo aukštis ir gravitacinė potencialinė energija padidėja. Ir atvirkščiai, jei du krūviai turi skirtingus ženklus, du krūviai traukia vienas kitą arba artėja vienas prie kito taip, kad potencialinės energijos pokytis yra neigiamas (mažėja elektros potencialinė energija). Tai panašu į masės objekto judėjimą žemyn Žemės link taip, kad jo aukštis ir gravitacinė potencialinė energija sumažėja.
Elektros jėga yra konservatyvi jėga, todėl krūvio trajektorijos forma neturi įtakos elektrinio potencialo energijos pokyčiui. Elektrinio potencialo energijos pokyčiui įtakos turi pradinė ir galutinė krūvio padėtys.
Kitoje temoje apžvelgsime elektrinį potencialą – fizikinį dydį, glaudžiai susijusį su elektrine potencialo energija.
