विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा

यो विषय अध्ययन गर्नु अघि, पहिले बुझ्नुहोस् मेटर आवश्यक छैनभौतिकशास्त्र, रूढिवादी शैली, विद्युतीय चार्ज, कुलम्बको नियम दान विद्युत क्षेत्र.

विद्युतीय बल एक रूढिवादी बल हो

गुरुत्वाकर्षण बल र स्प्रिङ बल बाहेक, रूढिवादी बलको अर्को उदाहरण विद्युतीय बल हो। विद्युतीय बललाई रूढिवादी बल किन भनिन्छ भनेर राम्रोसँग बुझ्नको लागि, निम्न व्याख्या पढ्नुहोस्।

मानौं चित्रमा देखाइएझैं दुईवटा विद्युतीय रूपमा चार्ज गरिएका प्लेटहरू छन्, बायाँ प्लेट धनात्मक रूपमा चार्ज गरिएको छ र दायाँ प्लेट ऋणात्मक रूपमा चार्ज गरिएको छ।n नकारात्मक। बीचको तीर दुवै प्लेटहरू हुन् विद्युत क्षेत्र लाइनहरू यांग धनात्मक चार्जबाट ऋणात्मक चार्जतिर। धनात्मक चार्ज धनात्मक चार्ज भएको प्लेटको नजिक हुन्छ।

विद्युतीय क्षेत्रको उपस्थितिले धनात्मक चार्ज निम्त्याउँछif विद्युत क्षेत्र जस्तै दिशामा विद्युतीय बल अनुभव गर्छ, जसले गर्दा धनात्मक चार्ज द्रुत हुन्छ दायाँतिर ऋणात्मक चार्ज भएको प्लेट तिर। विद्युतीय बलको दिशा दायाँतिर छ, जुन दिशामा चालको दिशा चार्ज, ताकि विद्युतीय बलले चार्जमा सकारात्मक काम गर्छ। गणितीय रूपमा, विद्युतीय बलले धनात्मक चार्जमा गर्ने काम हो W = F s = q E s, dजहाँ W = कार्य, F = विद्युतीय बल, s = दुई प्लेटहरू बीचको दूरी, q = धनात्मक चार्ज, E = विद्युतीय क्षेत्र हुन्छ।

ऋणात्मक चार्ज भएको प्लेट नजिक आइपुगेपछि, यदि धनात्मक चार्ज चाहन्छुफिर्ताkan यसको मूल स्थितिमा नजिकै धनात्मक चार्ज भएको प्लेट त्यसो भए तपाईंको शैली आवश्यक छ।ar (अर्थात्) जब चार्ज सकारात्मक हुन्छ सारियो बायाँ तिर धनात्मक चार्ज भएको प्लेट तिर, विद्युतीय बल दायाँतिर निर्देशित रहन्छ ताकि विद्युतीय बलले चार्जमा नकारात्मक काम गर्छ। गणितीय रूपमा, धनात्मक चार्जमा विद्युतीय बलले गर्ने काम W = – F s = – q E s हो। 

Uधनात्मक चार्जमा विद्युतीय बलले लगाएको कुल प्रयास, जब भार दायाँतिर सर्छ तब फेरि बायाँतिर यसको मूल स्थितिमा सर्छ W = हो q E s – q E s = ०. यदि कुनै वस्तु आफ्नो मूल स्थितिबाट टाढा सर्दा र त्यसपछि आफ्नो मूल स्थितिमा फर्किँदा बलले गरेको कुल कार्य शून्य बराबर हुन्छ भने, बल एक रूढिवादी बल हो। माथिको व्याख्याको आधारमा, यो निष्कर्षमा पुग्न सकिन्छ कि विद्युतीय बल एक रूढिवादी बल हो।

विद्युतीय बल र विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा

रूढिवादी बलले गर्ने काम सम्भाव्य ऊर्जामा हुने परिवर्तनसँग सम्बन्धित छ। उदाहरणका लागि, गुरुत्वाकर्षण बलले पिण्डमा गर्ने कामले पिण्डको गुरुत्वाकर्षण सम्भाव्य ऊर्जालाई परिवर्तन गर्छ। त्यसैगरी, विद्युतीय चार्जमा विद्युतीय बलले गर्ने कामले चार्जको विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जालाई परिवर्तन गर्छ।

एकसमान विद्युत क्षेत्रमा सकारात्मक चार्ज

तलका दुई चित्रहरूले सम्भाव्य ऊर्जामा परिवर्तन ल्याउने रूढिवादी बलद्वारा गरिएको कामको उदाहरणहरू चित्रण गर्छन्। गुरुत्वाकर्षण बलद्वारा गरिएको काम र गुरुत्वाकर्षण सम्भाव्य ऊर्जामा परिवर्तनको व्याख्यालाई विद्युतीय बलद्वारा गरिएको काम र विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जामा परिवर्तनलाई बुझ्न सहज बनाउन तुलनाको रूपमा प्रयोग गरिन्छ।

बायाँपट्टिको तस्बिरले एउटा वस्तु खसेको देखाउँछ। bebas जमिनको सतह तिर। उचाइमा हुँदा, कुनै वस्तुमा अधिकतम गुरुत्वाकर्षण सम्भाव्य ऊर्जा हुन्छ। जब कुनै वस्तु तलतिर सर्छ, गुरुत्वाकर्षण बल त्यसमा कार्य गर्दछ। गुरुत्वाकर्षण बलको दिशा वस्तुको विस्थापनको दिशा जस्तै हुन्छ, अर्थात् तलतिर, त्यसैले गुरुत्वाकर्षण बलले सकारात्मक काम गर्छ। जब कुनै वस्तु तलतिर गति बढाउँछ, यसको उचाइ घट्छ, जसले गर्दा यसको गुरुत्वाकर्षण सम्भाव्य ऊर्जा घट्छ। जब यो जमिनमा पुग्न लागेको हुन्छ, गुरुत्वाकर्षण सम्भाव्य ऊर्जा यसको न्यूनतम मानमा हुन्छ। यो निष्कर्षमा पुग्न सकिन्छ कि गुरुत्वाकर्षण बलले वस्तुमा गर्ने सकारात्मक कार्यले वस्तुको गुरुत्वाकर्षण सम्भाव्य ऊर्जालाई घटाउँछ। गुरुत्वाकर्षण सम्भाव्य ऊर्जा हराउँदैन तर गतिज ऊर्जामा परिणत हुन्छ, जुन वस्तु तलतिर सर्दा बढ्दो गतिले संकेत गर्छ।

दायाँपट्टिको तस्बिरले धनात्मक चार्ज देखाउँछ।f धनात्मक चार्ज भएको प्लेटको नजिक छ। धनात्मक चार्ज भएको प्लेटको नजिक हुँदा, चार्जको विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा अधिकतम हुन्छ। दुई प्लेटहरू बीच विद्युतीय क्षेत्रको उपस्थितिले विद्युतीय बलद्वारा चार्जलाई गति दिन्छ। धनात्मक चार्ज गरिएको प्लेटबाट ऋणात्मक चार्ज गरिएको प्लेटमा। कहिले भार दायाँतिर सर्छ, विद्युतीय बल पनि त्यही दिशामा चार्ज विस्थापन दायाँतिर हुन्छ, जसले गर्दा विद्युतीय बलले सकारात्मक काम गर्छ। सर्दै गर्दा दायाँतिर, चार्जको गतिज ऊर्जा बढ्छ जबकि विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा घट्छ। जब यो ऋणात्मक रूपमा चार्ज गरिएको प्लेटको नजिक पुग्छ, चार्जको विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा यसको न्यूनतम मानमा हुन्छ। यो निष्कर्षमा पुग्न सकिन्छ कि विद्युतीय बलले गरेको सकारात्मक कार्य कार्गो, चार्जको विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा घटाउँदै। Sयसको विपरीत, जिका धनात्मक चार्जलाई यसको मूल स्थितिमा फिर्ता सारिन्छ त्यसपछि चार्ज ट्रान्सफरको दिशा बायाँतिर हुन्छ, दिशाको विपरीत दायाँतिर विद्युतीय बलn। विद्युतीय बल विपरीत दिशामा भएकोले, यसले सकारात्मक चार्जमा नकारात्मक काम गर्छ। यो बायाँतिर सर्दै जाँदा, विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा बढ्छ। त्यसकारण, यो निष्कर्षमा पुग्न सकिन्छ कि विद्युतीय बलले चार्जमा गरेको नकारात्मक कार्यले चार्जको विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा बढाउँछ।

एकसमान विद्युत क्षेत्रमा ऋणात्मक चार्ज

सकारात्मक चार्जहरू भन्दा फरक, नकारात्मक चार्जहरू नकारात्मक रूपमा चार्ज गरिएको प्लेटको नजिक हुँदा अधिकतम विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा र सकारात्मक रूपमा चार्ज गरिएको प्लेटको नजिक हुँदा न्यूनतम विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा हुन्छ। स्वाभाविक रूपमा, विद्युतीय चार्जहरू स्वाभाविक रूपमा उच्च सम्भाव्यताबाट कम सम्भाव्यतामा सर्छन्, त्यसैले नकारात्मक चार्जहरू पनि नकारात्मक रूपमा चार्ज गरिएको प्लेटबाट सकारात्मक रूपमा चार्ज गरिएको प्लेटमा सर्छन्। नकारात्मक चार्जको चालको दिशा बायाँ तिर हुन्छ, जबकि विद्युतीय बलको दिशा दायाँ तिर हुन्छ, त्यसैले विद्युतीय बलले नकारात्मक काम गर्छ। बायाँ तिर सर्दा, नकारात्मक चार्जको विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा घट्छ र नकारात्मक चार्ज सकारात्मक रूपमा चार्ज गरिएको प्लेटको नजिक आइपुग्दा न्यूनतम मान हुन्छ। यो निष्कर्षमा पुग्न सकिन्छ कि विद्युतीय बलले गरेको नकारात्मक कामले नकारात्मक चार्जको विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जालाई घटाउँछ। विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा हराएको छैन तर गतिज ऊर्जामा परिणत हुन्छ, जुन सकारात्मक रूपमा चार्ज गरिएको प्लेट तर्फ सर्दा चार्जको बढ्दो गतिले संकेत गर्दछ।

एकसमान विद्युत क्षेत्रमा विद्युत सम्भाव्य ऊर्जा

कुनै विशेष स्थितिमा चार्ज हुँदा त्यसको विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा कति हुन्छ भन्ने कुरा अज्ञात हुन्छ। यद्यपि, यदि चार्ज एक स्थानबाट अर्को स्थानमा सर्छ भने, यसको विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जामा परिवर्तन निर्धारण गर्न सकिन्छ। त्यसकारण, सम्भाव्य ऊर्जामा परिवर्तन (ΔEP) महत्त्वपूर्ण छ।

तुलनात्मक रूपमा, जब आँप आफ्नो डाँठमा हुन्छ, आँपमा सम्भावित ऊर्जा हुन्छ। गुरुत्वाकर्षण बलले आँपलाई जमिनतिर तीव्र गतिमा धकेलिन्छ भने, घटाउनुहोस् आँपको फलको गुरुत्वाकर्षण सम्भाव्य ऊर्जा सूत्र W प्रयोग गरेर गणना गरेर निर्धारण गर्न सकिन्छ। = ΔEP = mgh, जहाँ m = पिण्ड, g = गुरुत्वाकर्षणको कारणले हुने प्रवेग, h भनेको आँपको डाँठ र जमिनको सतह बीचको दूरी हो।

त्यस्तै गरी, चार्जको विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जामा परिवर्तन तब थाहा पाउन सकिन्छ जब चार्जलाई विद्युतीय बलले एक बिन्दुबाट अर्को बिन्दुमा तीव्र पार्छ। पहिले व्याख्या गरिएझैं, यदि सकारात्मक चार्ज धनात्मक चार्ज गरिएको प्लेटबाट a मा सर्छ भने प्लेट ऋणात्मक रूपमा चार्ज हुन्छ भने घटाउनुहोस् चार्जको विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा सूत्र प्रयोग गरेर गणना गरिन्छ W = Δईपी = q E s, जहाँ q = विद्युतीय चार्ज, E = विद्युतीय क्षेत्र र s दुई प्लेटहरू बीचको दूरी वा एक स्थान र अर्को स्थान बीचको दूरी हो। त्यस्तै गरी, यदि ऋणात्मक चार्ज ऋणात्मक चार्ज गरिएको प्लेटबाट धनात्मक चार्ज गरिएको प्लेटमा सर्छ भने वृद्धि ऋणात्मक चार्जको विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा सूत्र W = ΔEP = प्रयोग गरेर गणना गरिन्छ। q E s.

दुई बिन्दु चार्जहरूको विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा

विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जामा परिवर्तनहरू केवल एकसमान विद्युतीय क्षेत्रमा चार्जहरूले मात्र अनुभव गर्दैनन्, तर एकल विद्युतीय चार्जद्वारा उत्पादित विद्युतीय क्षेत्रमा पनि अनुभव गरिन्छ। मानौं त्यहाँ एकल चार्ज Q छ जसले विद्युतीय क्षेत्र उत्पादन गर्दछ र चार्ज q चार्ज Q बाट r को दूरीमा छ।

जानकारी: k (कुलम्बको स्थिरांक) = ९ x १०⁹ एनएम²/C², Q = विद्युतीय क्षेत्र सिर्जना गर्ने विद्युतीय चार्ज, q = चार्ज Q द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्रमा विस्थापन अनुभव गर्ने विद्युतीय चार्ज, s = r = चार्ज Q बाट चार्ज q को दूरी।

यदि दुवै चार्जहरूमा एउटै चिन्ह छ भने, + वा –, दुई चार्जहरूले एकअर्कालाई भगाउँछन् वा एकअर्काबाट टाढा सर्छन् जसले गर्दा सम्भाव्य ऊर्जामा परिवर्तन सकारात्मक हुन्छ (विद्युत सम्भाव्य ऊर्जा बढ्छ)। यो पृथ्वीबाट माथितिर सर्ने द्रव्यमान वस्तु जस्तै हो जसले गर्दा यसको उचाइ र गुरुत्वाकर्षण सम्भाव्य ऊर्जा बढ्छ। यसको विपरीत, यदि दुई चार्जहरूमा फरक संकेतहरू छन् भने, दुई चार्जहरू एकअर्कालाई आकर्षित गर्छन् वा एकअर्काको नजिक सर्छन् जसले गर्दा सम्भाव्य ऊर्जामा परिवर्तन नकारात्मक हुन्छ (विद्युत सम्भाव्य ऊर्जा घट्छ)। यो पृथ्वीतिर तल सर्ने द्रव्यमान वस्तु जस्तै हो जसले गर्दा यसको उचाइ र गुरुत्वाकर्षण सम्भाव्य ऊर्जा घट्छ।

विद्युतीय बल एक रूढिवादी बल हो, त्यसैले चार्जको बाटोको आकारले विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जामा हुने परिवर्तनमा कुनै प्रभाव पार्दैन। विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जामा हुने परिवर्तनलाई असर गर्ने कुरा भनेको चार्जको प्रारम्भिक र अन्तिम स्थिति हो।

अर्को विषयमा समीक्षा गरिनेछ विद्युतीय क्षमता, एक भौतिक मात्रा जुन निकटसँग सम्बन्धित छ विद्युतीय सम्भाव्य ऊर्जा.