Artikel tentang tenaga keupayaan elektrik
Sebelum mempelajari topik ini, fahami dahulu kerja, daya konservatif, hubungan antara daya konservatif dengan tenaga keupayaan , daya elektrik dan medan elektrik.
Daya elektrik ialah daya konservatif
Selain daya graviti dan daya spring, satu lagi contoh daya konservatif ialah daya elektrik. Untuk lebih memahami mengapa daya elektrik dipanggil daya konservatif, fahami penjelasan berikut.
Katakan terdapat dua plat bercas elektrik seperti yang ditunjukkan dalam rajah, plat kiri bercas positif dan plat kanan bercas negatif. Anak panah di antara kedua-dua plat ialah garis medan elektrik yang keluar dari cas positif ke arah cas negatif. Cas positif berada berhampiran plat bercas elektrik positif.
Kehadiran medan elektrik menyebabkan cas positif mengalami daya elektrik dalam arah medan elektrik supaya cas positif dipecutkan ke kanan menuju plat bercas negatif. Arah daya elektrik ke kanan, dalam arah gerakan cas, supaya daya elektrik membuat kerja positif pada cas tersebut. Secara matematik, kerja yang dilakukan oleh daya elektrik pada cas positif ialah W = F d = q E d, dengan W = kerja, F = daya elektrik, d = jarak antara kedua-dua plat, q = cas positif, E = medan elektrik.
Selepas tiba berhampiran plat bercas negatif, jika cas positif ingin dikembalikan ke kedudukan asalnya berhampiran plat bercas negatif, daya luaran diperlukan. Apabila cas positif digerakkan ke kiri ke arah plat bercas positif, daya elektrik kekal menghala ke kanan supaya daya elektrik membuat kerja negatif pada cas tersebut. Secara matematik, kerja yang dilakukan oleh daya elektrik pada cas positif ialah W = – F d = – q E d.
Jumlah kerja yang dilakukan oleh daya elektrik pada cas positif, apabila cas bergerak ke kanan, kemudian bergerak semula ke kiri ke kedudukan asalnya, ialah W = qEd – qEd = 0. Jika kerja bersih dilakukan oleh daya pada objek, apabila objek bergerak menjauhi kedudukan asalnya dan kemudian kembali ke kedudukan asalnya, bersamaan dengan sifar, maka daya tersebut merupakan daya konservatif. Berdasarkan penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahawa daya elektrik merupakan daya konservatif.
Daya elektrik dan tenaga keupayaan elektrik
Kerja yang dilakukan oleh daya konservatif berkaitan dengan perubahan tenaga keupayaan. Contohnya, kerja yang dilakukan oleh daya graviti pada objek berjisim mengubah tenaga keupayaan graviti objek berjisim tersebut. Begitu juga, kerja yang dilakukan oleh daya elektrik dalam cas elektrik mengubah tenaga keupayaan elektrik cas tersebut.
Cas positif dalam medan elektrik homogen
Dua imej di bawah menggambarkan contoh kerja yang dilakukan oleh daya konservatif yang menyebabkan perubahan dalam tenaga keupayaan. Penjelasan tentang kerja yang dilakukan oleh daya graviti dan perubahan dalam tenaga keupayaan graviti digunakan sebagai perbandingan,
untuk memudahkan pemahaman tentang kerja yang dilakukan oleh daya elektrik dan perubahan dalam tenaga keupayaan elektrik.
Imej di sebelah kiri menunjukkan objek jatuh bebas ke arah permukaan tanah. Apabila berada di atas, objek mempunyai tenaga keupayaan graviti maksimum. Apabila bergerak ke bawah, daya graviti bertindak ke atas objek tersebut. Arah daya graviti adalah sama dengan arah pergerakan objek yang berada di bawah supaya daya graviti melakukan kerja positif. Apabila dipercepatkan ke bawah, ketinggian objek berkurangan supaya tenaga keupayaan graviti objek berkurangan. Apabila tiba di tanah, tenaga keupayaan graviti adalah minimum. Dapat disimpulkan bahawa kerja positif yang dilakukan oleh daya graviti pada objek mengurangkan tenaga keupayaan graviti objek tersebut. Tenaga keupayaan graviti tidak hilang tetapi berubah menjadi tenaga kinetik, yang ditunjukkan oleh peningkatan kelajuan objek apabila ia bergerak ke bawah.
Rajah di sebelah kanan menunjukkan cas positif berhampiran plat bercas positif. Apabila berhampiran plat bercas positif, tenaga keupayaan elektrik mempunyai nilai maksimum. Kehadiran medan elektrik di antara kedua-dua plat menyebabkan cas dipecutkan oleh daya elektrik dari plat bercas positif ke plat bercas negatif. Apabila cas bergerak ke kanan, daya elektrik juga berada dalam arah sesaran cas ke kanan, supaya daya elektrik membuat kerja positif. Semasa bergerak ke kanan, tenaga kinetik cas meningkat manakala tenaga keupayaan elektrik berkurangan.
Apabila tiba berhampiran plat dengan cas negatif, tenaga elektrik keupayaan mempunyai nilai minimum. Dapat disimpulkan bahawa kerja positif yang dilakukan oleh daya elektrik ke atas cas tersebut mengurangkan tenaga keupayaan elektrik cas tersebut. Sebaliknya, jika cas positif digerakkan kembali ke kedudukan asalnya maka arah cas berubah ke kiri, bertentangan dengan arah daya elektrik ke kanan. Disebabkan oleh arah yang bertentangan, daya elektrik membuat kerja negatif ke atas cas positif. Apabila bergerak ke kiri, tenaga keupayaan elektrik meningkat. Oleh itu, dapat disimpulkan bahawa kerja negatif yang dilakukan oleh daya elektrik ke atas cas tersebut meningkatkan tenaga keupayaan elektrik cas tersebut.
Cas negatif dalam medan elektrik homogen
Tidak seperti cas positif, cas negatif mempunyai tenaga keupayaan elektrik maksimum apabila ia berada berhampiran plat bercas negatif dan tenaga keupayaan elektrik minimum apabila berhampiran plat bercas positif. Secara semula jadi, cas elektrik bergerak dari keupayaan tinggi ke keupayaan rendah, jadi cas negatif juga bergerak dari plat bercas negatif ke plat bercas positif. Arah anjakan cas negatif adalah ke kiri, manakala arah daya elektrik adalah ke kanan supaya daya elektrik membuat kerja negatif. Apabila bergerak ke kiri, tenaga keupayaan elektrik cas negatif berkurangan dan mempunyai nilai minimum apabila cas negatif tiba berhampiran plat bercas positif. Dapat disimpulkan bahawa kerja negatif yang dilakukan oleh daya elektrik mengurangkan tenaga keupayaan elektrik cas negatif. Tenaga keupayaan elektrik tidak hilang tetapi berubah menjadi tenaga kinetik yang dicirikan oleh peningkatan kelajuan cas apabila bergerak ke arah plat bercas positif.
Tenaga keupayaan elektrik dalam medan elektrik homogen
Tenaga keupayaan elektrik sesuatu cas apabila cas berada pada kedudukan tertentu, nilainya tidak dapat diketahui. Tetapi jika cas bergerak dari satu tempat ke tempat lain, perubahan tenaga keupayaan elektrik cas tersebut boleh dikira. Jadi, apa yang bermakna ialah perubahan tenaga keupayaan. Perubahan tenaga keupayaan elektrik (ΔEP) boleh diketahui apabila cas positif bergerak dari keupayaan tinggi (plat bercas positif) ke keupayaan rendah (plat bercas negatif).
Sebagai perbandingan, apabila mangga berada di atas batangnya, mangga mempunyai tenaga keupayaan graviti, tetapi nilainya tidak dapat diketahui. Jika buah mangga dipercepatkan ke tanah oleh daya graviti, perubahan tenaga keupayaan graviti mangga boleh diketahui melalui pengiraan menggunakan formula W = ΔEP = mgh,
dengan m = jisim, g = pecutan graviti, h = jarak antara mangga dan permukaan tanah.
Begitu juga, perubahan tenaga keupayaan elektrik sesuatu cas boleh diketahui apabila daya elektrik memecut cas dari satu titik ke titik yang lain. Seperti yang dijelaskan sebelum ini, jika cas positif bergerak dari plat bercas positif ke plat bercas negatif,
Perubahan tenaga keupayaan elektrik dikira menggunakan formula W = ΔEP = qEd, dengan q = cas elektrik, E = medan elektrik dan d = jarak antara sesuatu tempat dan tempat lain. Begitu juga, jika cas negatif bergerak dari plat bercas negatif ke plat bercas positif, peningkatan tenaga keupayaan elektrik cas negatif dikira menggunakan formula W = ΔEP = qEd.
Tenaga keupayaan elektrik bagi dua cas titik
Perubahan tenaga keupayaan elektrik bukan sahaja dialami oleh cas dalam medan elektrik homogen, tetapi juga medan elektrik yang dihasilkan oleh cas elektrik tunggal. Katakan terdapat cas tunggal Q yang menghasilkan medan elektrik dan cas q mempunyai jarak r dari cas Q.
Q = cas elektrik yang menyebabkan medan elektrik
q = cas elektrik yang disesarkan dalam medan elektrik yang dihasilkan oleh cas Q
d = r = jarak cas q dari cas Q.
Jika kedua-dua cas mempunyai tanda yang sama, + atau -, maka kedua-dua cas tersebut akan menolak antara satu sama lain atau menjauhi satu sama lain supaya perubahan tenaga keupayaan adalah positif (tenaga keupayaan elektrik meningkat). Ini seperti objek berjisim yang bergerak ke atas menjauhi bumi supaya ketinggiannya dan tenaga keupayaan gravitinya meningkat. Sebaliknya, jika tanda kedua-dua cas tidak sama, kedua-dua cas tersebut akan menarik antara satu sama lain atau menghampiri satu sama lain supaya perubahan tenaga keupayaan adalah negatif (tenaga keupayaan elektrik berkurangan). Ini seperti objek berjisim yang bergerak ke bawah menghampiri permukaan bumi supaya ketinggiannya dan tenaga keupayaan gravitinya berkurangan.
Daya elektrik merupakan daya konservatif, oleh itu bentuk laluan cas tidak mempengaruhi perubahan tenaga keupayaan elektrik. Apa yang mempengaruhi nilai perubahan tenaga keupayaan elektrik ialah kedudukan awal dan kedudukan akhir cas.
Dalam topik seterusnya akan dikaji tentang potensi elektrik, iaitu kuantiti fizik yang berkait rapat dengan tenaga potensi elektrik.
