Энэ сэдвийг судлахаасаа өмнө эхлээд физик , консерватив хүч , цахилгаан цэнэг , Кулоны хууль болон цахилгаан орны талаарх материалыг ойлгоорой.
Цахилгаан хүч нь консерватив хүч юм
Таталцлын хүч болон пүршний хүчнээс гадна консерватив хүчний өөр нэг жишээ бол цахилгаан хүч юм. Цахилгаан хүчийг яагаад консерватив хүч гэж нэрлэдэгийг илүү сайн ойлгохын тулд дараах тайлбарыг уншина уу.
Зурагт үзүүлсэн шиг хоёр цахилгаан цэнэгтэй хавтан байгаа гэж бодъё, зүүн хавтан нь эерэг цэнэгтэй, баруун хавтан нь сөрөг цэнэгтэй байна.n сөрөг. Хоорон дахь сум хоёр хавтан хоёулаа цахилгаан талбайн шугамууд Ян эерэг цэнэгээс сөрөг цэнэг рүү шилждэг. Эерэг цэнэг нь эерэг цэнэгтэй хавтангийн ойролцоо байдаг.
Цахилгаан орон байгаа нь эерэг цэнэг нь цахилгаан оронтой ижил чиглэлд цахилгаан хүчийг мэдрэхэд хүргэдэг бөгөөд ингэснээр эерэг цэнэг нь сөрөг цэнэгтэй хавтан руу баруун тийш хурдасдаг . Цахилгаан хүчний чиглэл нь цэнэгийн хөдөлгөөний чиглэлтэй ижил чиглэлд баруун тийш байрладаг тул цахилгаан хүч нь цэнэг дээр эерэг ажил хийдэг. Математикийн хувьд цахилгаан хүчний эерэг цэнэг дээр хийх ажил нь W = F s = q E s, энд W = ажил, F = цахилгаан хүч, s = хоёр хавтангийн хоорондох зай, q = эерэг цэнэг, E = цахилгаан орон.
Сөрөг цэнэгтэй хавтангийн ойролцоо ирсний дараа, хэрэв эерэг цэнэг хүсэхбуцахболно анхны байрлал руугаа ойролцоо эерэг цэнэгтэй хавтан тэгвэл таны хэв маяг хэрэгтэйар. Цэнэг эерэг байх үед нүүсэн зүүн тийш эерэг цэнэгтэй хавтан руу, цахилгаан хүч баруун тийш чиглэсэн хэвээр байх тул цахилгаан хүч цэнэг дээр сөрөг ажил хийнэ. Математикийн хувьд эерэг цэнэг дээр цахилгаан хүчний хийх ажил нь W = – F s = – q E s байна.
Цэнэг баруун тийш хөдөлж, дараа нь анхны байрлалдаа буцаж зүүн тийш шилжих үед эерэг цэнэг дээр цахилгаан хүчний хийсэн нийт ажил нь W = q E s – q E s = 0 байна . Хэрэв биет дээр хүчний хийсэн нийт ажил нь биет анхны байрлалаасаа холдож, анхны байрлалдаа буцаж ирэхэд тэгтэй тэнцүү бол уг хүч нь консерватив хүч юм. Дээрх тайлбар дээр үндэслэн цахилгаан хүч нь консерватив хүч гэж дүгнэж болно.
Цахилгаан хүч ба цахилгаан потенциал энерги
Консерватив хүчний хийдэг ажил нь потенциал энергийн өөрчлөлттэй холбоотой. Жишээлбэл, таталцлын хүчний масс дээр хийдэг ажил нь массын таталцлын потенциал энергийг өөрчилдөг. Үүнтэй адилаар, цахилгаан хүчний цахилгаан цэнэг дээр хийдэг ажил нь цэнэгийн цахилгаан потенциал энергийг өөрчилдөг.
Нэг төрлийн цахилгаан орон дахь эерэг цэнэг
Доорх хоёр зураг нь потенциал энергийн өөрчлөлтийг үүсгэдэг консерватив хүчний хийсэн ажлын жишээг харуулж байна. Таталцлын хүчний хийсэн ажил болон таталцлын потенциал энергийн өөрчлөлтийн тайлбарыг цахилгаан хүчний хийсэн ажил болон цахилгаан потенциал энергийн өөрчлөлтийг ойлгоход хялбар болгохын тулд харьцуулалт болгон ашигласан.
Зүүн талын зураг дээр унаж буй объект харагдаж байна. үнэгүй газрын гадаргуу руу чиглэнэ. Өндөрт байх үед объект хамгийн их таталцлын потенциал энергитэй байдаг. Биет доошоо хөдлөхөд таталцлын хүч түүнд үйлчилдэг. Таталцлын хүчний чиглэл нь биетийн доошоо чиглэсэн шилжилтийн чиглэлтэй ижил байдаг тул таталцлын хүч эерэг ажил хийдэг. Биет доошоо хурдлахад түүний өндөр буурч, улмаар таталцлын потенциал энерги нь буурдаг. Газарт хүрэх гэж байхад таталцлын потенциал энерги хамгийн бага утгадаа хүрдэг. Таталцлын хүчний объект дээр хийсэн эерэг ажил нь объектын таталцлын потенциал энергийг бууруулдаг гэж дүгнэж болно. Таталцлын потенциал энерги алдагдахгүй, харин кинетик энерги болж хувирдаг бөгөөд үүнийг доошоо хөдлөх үед объектын хурд нэмэгдэж байгаагаар харуулдаг.
Баруун талын зураг дээр эерэг цэнэг харагдаж байна.f нь эерэг цэнэгтэй хавтангийн ойролцоо байна. Эерэг цэнэгтэй хавтангийн ойролцоо байх үед цэнэгийн цахилгаан потенциал энерги хамгийн ихдээ хүрдэг. Хоёр хавтангийн хооронд цахилгаан орон байгаа нь цэнэгийг цахилгаан хүчний нөлөөгөөр хурдасгахад хүргэдэг. эерэг цэнэгтэй хавтанг сөрөг цэнэгтэй хавтангаас. Хэзээ ачаа баруун тийш хөдөлдөг, цахилгаан хүч мөн адил чиглэлд цэнэгийн шилжилт баруун тийш чиглэсэн тул цахилгаан хүч эерэг ажил хийдэг. Хөдөлж байхдаа баруун талд, цэнэгийн кинетик энерги нэмэгдэж, цахилгаан потенциал энерги буурна. Сөрөг цэнэгтэй хавтангийн ойролцоо ирэхэд цэнэгийн цахилгаан потенциал энерги хамгийн бага утгадаа хүрнэ. Цахилгаан хүчний хийсэн эерэг ажил гэж дүгнэж болно ачаа, цэнэгийн цахилгаан потенциал энергийг бууруулдаг. Sхарин эсрэгээрээ, жика эерэг цэнэг анхны байрлалдаа буцаж шилждэг тэгвэл цэнэгийн шилжилтийн чиглэл зүүн тийш, чиглэлийн эсрэг байна баруун тийш цахилгаан хүчnЦахилгаан хүч эсрэг чиглэлд байгаа тул эерэг цэнэг дээр сөрөг ажил хийдэг. Зүүн тийш шилжих үед цахилгаан потенциал энерги нэмэгддэг. Тиймээс цахилгаан хүчний цэнэг дээр хийсэн сөрөг ажил нь цэнэгийн цахилгаан потенциал энергийг нэмэгдүүлдэг гэж дүгнэж болно.
Нэг төрлийн цахилгаан орон дахь сөрөг цэнэг
Эерэг цэнэгээс ялгаатай нь сөрөг цэнэгүүд нь сөрөг цэнэгтэй хавтантай ойрхон байх үед хамгийн их цахилгаан потенциал энергитэй, эерэг цэнэгтэй хавтантай ойрхон байх үед хамгийн бага цахилгаан потенциал энергитэй байдаг. Мэдээжийн хэрэг, цахилгаан цэнэгүүд нь өндөр потенциалаас бага потенциал руу байгалийн жамаар шилждэг тул сөрөг цэнэгүүд нь сөрөг цэнэгтэй хавтантай эерэг цэнэгтэй хавтан руу шилждэг. Сөрөг цэнэгийн хөдөлгөөний чиглэл зүүн тийш, цахилгаан хүчний чиглэл баруун тийш байдаг тул цахилгаан хүч сөрөг ажил хийдэг. Зүүн тийш шилжих үед сөрөг цэнэгийн цахилгаан потенциал энерги буурч, сөрөг цэнэг эерэг цэнэгтэй хавтантай ойрхон ирэхэд хамгийн бага утгатай болдог. Цахилгаан хүчний хийсэн сөрөг ажил нь сөрөг цэнэгийн цахилгаан потенциал энергийг бууруулдаг гэж дүгнэж болно. Цахилгаан потенциал энерги алдагдахгүй, харин кинетик энерги болж хувирдаг бөгөөд үүнийг эерэг цэнэгтэй хавтан руу шилжих үед цэнэгийн хурд нэмэгдэхээр харуулдаг.
Нэг төрлийн цахилгаан орон дахь цахилгаан потенциал энерги
Цэнэг тодорхой байрлалд байх үеийн цахилгаан потенциал энерги нь тодорхойгүй байдаг. Гэсэн хэдий ч цэнэг нэг байрлалаас нөгөө байрлал руу шилжвэл түүний цахилгаан потенциал энергийн өөрчлөлтийг тодорхойлж болно. Тиймээс чухал зүйл бол потенциал энергийн өөрчлөлт (ΔEP) юм.
Харьцуулбал, манго иш дээрээ байх үед таталцлын потенциал энергитэй байдаг ч түүний утгыг мэдэх боломжгүй юм. Хэрэв манго таталцлын хүчээр газарт хурдасгагдвал мангогийн таталцлын потенциал энергийн бууралтыг W = Δ EP = mgh томъёог ашиглан тооцоолж тодорхойлж болно, энд m = масс, g = таталцлын хурдатгал, h нь мангоны иш ба газрын гадаргуу хоорондын зай юм.
Үүнтэй адилаар, цэнэгийг цахилгаан хүчний нөлөөгөөр нэг цэгээс нөгөө цэг рүү хурдасгахад цэнэгийн цахилгаан потенциал энергийн өөрчлөлтийг мэдэж болно. Өмнө тайлбарласны дагуу, хэрэв эерэг цэнэгтэй хавтангаас сөрөг цэнэгтэй хавтанг руу шилжвэл цэнэгийн цахилгаан потенциал энергийн бууралтыг W = Δ EP = q E s томъёогоор тооцоолно , энд q = цахилгаан цэнэг, E = цахилгаан орон ба s нь хоёр хавтангийн хоорондох зай эсвэл нэг газраас нөгөө цэг хүртэлх зай юм. Үүнтэй адилаар, хэрэв сөрөг цэнэгтэй хавтангаас эерэг цэнэгтэй хавтанг руу шилжвэл сөрөг цэнэгийн цахилгаан потенциал энергийн өсөлтийг W = ΔEP = q E s томъёогоор тооцоолно.
Хоёр цэгийн цэнэгийн цахилгаан потенциал энерги
Цахилгаан потенциал энергийн өөрчлөлтийг зөвхөн нэгэн төрлийн цахилгаан орны цэнэгүүд төдийгүй ганц цахилгаан цэнэгийн үүсгэсэн цахилгаан оронд ч мэдэрдэг. Цахилгаан орон үүсгэдэг ганц Q цэнэг байгаа бөгөөд q цэнэг нь Q цэнэгээс r зайд байна гэж үзье.
Мэдээлэл: k (Кулонын тогтмол) = 9 x 109 Нм2/C2, Q = цахилгаан орон үүсгэдэг цахилгаан цэнэг, q = Q цэнэгээр үүсгэгдсэн цахилгаан орон дээр шилжилтийг мэдэрдэг цахилгаан цэнэг, s = r = q цэнэгийн Q цэнэгээс хол зай.
Хэрэв хоёр цэнэг хоёулаа ижил тэмдэгтэй, + эсвэл – байвал хоёр цэнэг бие биенээ түлхэх эсвэл бие биенээсээ холдох тул потенциал энергийн өөрчлөлт эерэг байх болно (цахилгаан потенциал энерги нэмэгдэнэ). Энэ нь дэлхийгээс дээшээ холдох масстай биетийн өндөр болон таталцлын потенциал энерги нэмэгдэхтэй төстэй юм. Үүний эсрэгээр, хэрэв хоёр цэнэг өөр өөр тэмдэгтэй бол хоёр цэнэг бие биенээ татах эсвэл бие биедээ ойртох тул потенциал энергийн өөрчлөлт сөрөг байх болно (цахилгаан потенциал энерги буурна). Энэ нь дэлхий рүү чиглэсэн масстай биетийн өндөр болон таталцлын потенциал энерги буурахтай төстэй юм.
Цахилгаан хүч нь консерватив хүч тул цэнэгийн замын хэлбэр нь цахилгаан потенциал энергийн өөрчлөлтөд ямар ч нөлөө үзүүлэхгүй. Цахилгаан потенциал энергийн өөрчлөлтөд нөлөөлдөг зүйл бол цэнэгийн анхны ба эцсийн байрлал юм.
Дараагийн сэдвээр бид цахилгаан потенциал буюу цахилгаан потенциалын энергитэй нягт холбоотой физик хэмжигдэхүүнийг авч үзэх болно.
