Статија за електричната потенцијална енергија
Пред да ја изучувате оваа тема, прво разберете ја работата, конзервативните сили, односот помеѓу конзервативните сили со потенцијалната енергија , електричните сили и електричното поле.
Електричната сила е конзервативна сила
Покрај гравитационата сила и силата на пружината, друг пример за конзервативна сила е електричната сила. За подобро да разберете зошто електричната сила се нарекува конзервативна сила, разберете го следното објаснување.
Да претпоставиме дека има две електрично наелектризирани плочи како што е прикажано на сликата, левата плоча е позитивно наелектризирана, а десната плоча е негативно наелектризирана. Стрелката помеѓу двете плочи ги претставува линиите на електричното поле што излегуваат од позитивниот полнеж кон негативниот полнеж. Позитивен полнеж е во близина на позитивно електрично наелектризирана плоча.
Присуството на електрично поле предизвикува позитивниот полнеж да ја доживее електричната сила во насока на електричното поле, така што позитивниот полнеж се забрзува надесно кон негативно наелектризираната плоча. Насоката на електричната сила е надесно, во насока на движењето на полнежот, така што електричната сила врши позитивна работа на полнежот. Математички, работата што ја врши електричната сила врз позитивниот полнеж е W = F d = q E d, каде што W = работа, F = електричната сила, d = растојанието помеѓу двете плочи, q = позитивен полнеж, E = електрично поле.
Откако ќе пристигне во близина на негативно наелектризираната плоча, ако позитивниот полнеж треба да се врати во првобитната положба во близина на негативно наелектризираната плоча, потребна е надворешна сила. Кога позитивниот полнеж се поместува налево кон позитивно наелектризираната плоча, електричната сила останува насочена надесно, така што електричната сила врши негативна работа на полнежот. Математички, работата што ја врши електричната сила на позитивниот полнеж е W = – F d = – q E d.
Вкупната работа што ја врши електричната сила врз позитивниот полнеж, кога полнежот се движи надесно, а потоа повторно се движи налево во својата првобитна положба, е W = q E d – q E d = 0. Ако нето работата ја врши силата врз предметот, кога предметот се оддалечува од својата првобитна положба, а потоа се враќа во својата првобитна положба, еднаква на нула, тогаш силата е конзервативна сила. Врз основа на горенаведеното објаснување, може да се заклучи дека електричната сила е конзервативна сила.
Електрична сила и електрична потенцијална енергија
Работата извршена од конзервативните сили е поврзана со промените во потенцијалната енергија. На пример, работата извршена од гравитационата сила врз масовен објект ја менува гравитационата потенцијална енергија на масениот објект. Слично на тоа, работата извршена од електричната сила во електричен полнеж ја менува електричната потенцијална енергија на полнежот.
Позитивен полнеж во хомогено електрично поле
Двете слики подолу илустрираат примери за работата што ја вршат конзервативните сили што предизвикуваат промени во потенцијалната енергија. Објаснувањето на работата што ја врши силата на гравитацијата и промените во гравитациската потенцијална енергија се користи како споредба,
за да се олесни разбирањето на работата што ја врши електричната сила и промените во електричната потенцијална енергија.
Сликата лево покажува објект кој слободно паѓа кон површината на земјата. Кога се на врвот, објектите имаат максимална гравитациска потенцијална енергија. Кога се движат надолу, гравитациската сила дејствува врз објектот. Насоката на гравитациската сила е иста како и насоката на движење на објектот што е надолу, така што гравитациската сила врши позитивна работа. Кога се забрзува надолу, висината на објектот се намалува, така што гравитациската потенцијална енергија на објектот се намалува. Кога пристигнува на земјата, гравитациската потенцијална енергија е минимална. Може да се заклучи дека позитивната работа извршена од гравитациската сила врз објектот ја намалува гравитациската потенцијална енергија на објектот. Гравитациската потенцијална енергија не се губи, туку се менува во кинетичка енергија, што е означено со зголемувањето на брзината на објектот кога се движи надолу.
Сликата од десно го прикажува позитивниот полнеж во близина на позитивно наелектризираната плоча. Кога е во близина на позитивно наелектризирана плоча, електричната потенцијална енергија има максимална вредност. Присуството на електрично поле помеѓу двете плочи предизвикува полнежот да се забрза со електричната сила од позитивно наелектризираната плоча кон негативно наелектризираната плоча. Кога полнежот се движи надесно, електричната сила е исто така во насока на поместување на полнежот надесно, така што електричната сила создава позитивна работа. За време на движењето надесно, кинетичката енергија на полнежот се зголемува, додека електричната потенцијална енергија се намалува.
По пристигнувањето во близина на плочата со негативен полнеж, потенцијалната електрична енергија има минимална вредност. Може да се заклучи дека позитивната работа што ја врши електричната сила врз полнежот ја намалува електричната потенцијална енергија на полнежот. Обратно, ако позитивниот полнеж се врати во првобитната положба, тогаш насоката на полнежот се менува налево, спротивно од насоката на електричната сила надесно. Поради спротивната насока, електричната сила врши негативна работа врз позитивниот полнеж. Кога се движи налево, електричната потенцијална енергија се зголемува. Така, може да се заклучи дека негативната работа што ја врши електричната сила врз полнежот ја зголемува електричната потенцијална енергија на полнежот.
Негативен полнеж во хомогено електрично поле
За разлика од позитивниот полнеж, негативниот полнеж има максимална електрична потенцијална енергија кога е во близина на негативно наелектризираната плоча и минимална електрична потенцијална енергија кога е во близина на позитивно наелектризираната плоча. Природно, електричниот полнеж се движи од висок потенцијал кон низок потенцијал, па затоа и негативниот полнеж се движи од негативно наелектризираната плоча кон позитивно наелектризираната плоча. Насоката на поместување на негативниот полнеж е налево, додека насоката на електричната сила е надесно, така што електричната сила создава негативна работа. Кога се движи налево, електричната потенцијална енергија на негативниот полнеж се намалува и има минимална вредност кога негативниот полнеж ќе пристигне во близина на позитивно наелектризираната плоча. Може да се заклучи дека негативната работа што ја врши електричната сила ја намалува електричната потенцијална енергија на негативниот полнеж. Електричната потенцијална енергија не се губи, туку се претвора во кинетичка енергија, која се карактеризира со зголемување на брзината на полнежот кога се движи кон позитивно наелектризираната плоча.
Електрична потенцијална енергија во хомогено електрично поле
Електричната потенцијална енергија на полнежот кога е во одредена положба, нејзината вредност не може да се знае. Но, ако полнежот се движи од едно место на друго, може да се пресмета промената на електричната потенцијална енергија на полнежот. Значи, она што е значајно е промената на потенцијалната енергија. Промените во електричната потенцијална енергија (ΔEP) може да се знаат кога позитивниот полнеж се движи од висок потенцијал (позитивно наелектризирана плоча) кон низок потенцијал (негативно наелектризирана плоча).
За споредба, кога мангото е на своето стебло, мангото има гравитациона потенцијална енергија, но нејзината вредност не може да се знае. Ако плодот од манго се забрза кон земјата со гравитациона сила, промената на гравитационата потенцијална енергија на мангото може да се знае преку пресметка со користење на формулата W = ΔEP = mgh,
каде што m = маса, g = гравитационо забрзување, h = растојанието помеѓу мангото и површината на земјата.
Слично на тоа, промените на електричната потенцијална енергија на полнежот можат да бидат познати кога електричната сила го забрзува полнежот од една до друга точка. Како што беше претходно објаснето, ако позитивниот полнеж се движи од позитивно наелектризираната плоча кон негативно наелектризираната плоча,
Промената на електричната потенцијална енергија се пресметува со помош на формулата W = ΔEP = q E d, каде што q = електричниот полнеж, E = електричното поле и d = растојанието помеѓу едно место и друго место. Слично на тоа, ако негативниот полнеж се движи од негативно наелектризираната плоча кон позитивно наелектризираната плоча, зголемувањето на електричната потенцијална енергија на негативниот полнеж се пресметува со помош на формулата W = ΔEP = q E d.
Електричната потенцијална енергија на двата точкести полнежи
Промените во електричната потенцијална енергија не се јавуваат само кај полнежот во хомогено електрично поле, туку и кај електричното поле произведено од единечниот електричен полнеж. Да претпоставиме дека постои единечен полнеж Q кој произведува електрично поле и полнеж од q има растојание од r од полнежот Q.
Q = електричен полнеж што предизвикува електрично поле
q = електричен полнеж што е поместен во електричното поле произведено од полнежот Q
d = r = растојанието на полнежот q од полнежот Q.
Ако двата полнежи имаат ист знак, + или -, тогаш двата полнежи се одбиваат едни со други или се држат настрана еден од друг, така што промените во потенцијалната енергија се позитивни (електричната потенцијална енергија се зголемува). Ова е како масен објект што се движи нагоре подалеку од Земјата, така што неговата висина и гравитациската потенцијална енергија се зголемуваат. Обратно, ако знакот на двата полнежи не е ист, двата полнежи се влечат едни со други или се приближуваат едни кон други, така што промената на потенцијалната енергија е негативна (електричната потенцијална енергија се намалува). Ова е како масен објект што се движи надолу и се приближува кон површината на Земјата, така што неговата висина и гравитациската потенцијална енергија се намалуваат.
Електричната сила е конзервативна сила, затоа обликот на патеката на полнежот не влијае на промените во електричната потенцијална енергија. Она што влијае на вредноста на промените во електричната потенцијална енергија е почетната положба и конечната положба на полнежот.
На следната тема ќе се изучува електричниот потенцијал, физички величини кои се силно поврзани со електричната потенцијална енергија.
