Før du studerer dette emnet, bør du først forstå stoffet om fysikk , konservative krefter , elektrisk ladning , Coulombs lov og elektriske felt.
Elektrisk kraft er en konservativ kraft
Foruten gravitasjonskraft og fjærkraft er et annet eksempel på en konservativ kraft den elektriske kraften. For å bedre forstå hvorfor den elektriske kraften kalles en konservativ kraft, les følgende forklaring.
Anta at det er to elektrisk ladede plater som vist på bildet, den venstre platen er positivt ladet og den høyre platen er negativt ladet.n negativ. Pilen mellom begge platene er elektriske feltlinjer yang ut av en positiv ladning mot en negativ ladning. En positiv ladning er nær en positivt ladet plate.
Tilstedeværelsen av et elektrisk felt fører til at en positiv ladning opplever en elektrisk kraft i samme retning som det elektriske feltet, slik at den positive ladningen akselereres mot høyre mot den negativt ladede platen. Retningen til den elektriske kraften er mot høyre, i samme retning som ladningens bevegelsesretning , slik at den elektriske kraften utfører positivt arbeid på ladningen. Matematisk sett er arbeidet som utføres av den elektriske kraften på en positiv ladning W = F s = q E s, hvor W = arbeid, F = elektrisk kraft, s = avstanden mellom de to platene, q = positiv ladning, E = elektrisk felt.
Etter å ha kommet nær den negativt ladede platen, hvis positiv ladning vilkembalikan være til sin opprinnelige posisjon nær positivt ladet plate da trengs stilen dinar Når ladningen er positiv flyttet til venstre mot den positivt ladede platen, forblir den elektriske kraften rettet mot høyre slik at den elektriske kraften utfører negativt arbeid på ladningen. Matematisk sett er arbeidet som utføres av den elektriske kraften på en positiv ladning W = – F s = – q E s.
Det totale arbeidet som utføres av den elektriske kraften på en positiv ladning, når ladningen beveger seg til høyre og deretter beveger seg igjen til venstre til sin opprinnelige posisjon, er W = q E s – q E s = 0. Hvis det totale arbeidet som utføres av en kraft på et objekt, når objektet beveger seg bort fra sin opprinnelige posisjon og deretter går tilbake til sin opprinnelige posisjon, er lik null, er kraften en konservativ kraft. Basert på forklaringen ovenfor kan det konkluderes med at den elektriske kraften er en konservativ kraft.
Elektrisk kraft og elektrisk potensiell energi
Arbeidet utført av en konservativ kraft er relatert til endringen i potensiell energi. For eksempel endrer arbeidet utført av gravitasjonskraften på en masse massens gravitasjonspotensielle energi. På samme måte endrer arbeidet utført av en elektrisk kraft på en elektrisk ladning ladningens elektriske potensielle energi.
Positiv ladning i et homogent elektrisk felt
De to figurene nedenfor illustrerer eksempler på arbeid utført av en konservativ kraft som forårsaker en endring i potensiell energi. Forklaringene av arbeidet utført av gravitasjonskraften og endringen i gravitasjonspotensiell energi brukes som en sammenligning for å lette forståelsen av arbeidet utført av den elektriske kraften og endringen i elektrisk potensiell energi.
Bildet til venstre viser en gjenstand som faller. gratis mot bakkeoverflaten. Når et objekt er i en høyde, har det maksimal gravitasjonspotensiell energi. Når et objekt beveger seg nedover, virker tyngdekraften på det. Retningen på gravitasjonskraften er den samme som retningen på objektets forskyvning, nemlig nedover, så gravitasjonskraften utfører positivt arbeid. Når et objekt akselererer nedover, reduseres høyden, og dermed reduseres dens gravitasjonspotensielle energi. Når den er i ferd med å nå bakken, er den gravitasjonspotensielle energien på sitt minimum. Det kan konkluderes med at det positive arbeidet som gravitasjonskraften utfører på et objekt reduserer objektets gravitasjonspotensielle energi. Gravitasjonspotensiell energi går ikke tapt, men omdannes til kinetisk energi, noe som indikeres av objektets økende hastighet når det beveger seg nedover.
Bildet til høyre viser en positiv ladning.f er nær en positivt ladet plate. Når den er nær en positivt ladet plate, er den elektriske potensielle energien til ladningen maksimal. Tilstedeværelsen av et elektrisk felt mellom de to platene fører til at ladningen akselereres av den elektriske kraften fra positivt ladet plate til negativt ladet plate. Når lasten beveger seg til høyre, elektrisk kraft også i samme retning som Ladningsforskyvningen er til høyre, slik at den elektriske kraften utfører positivt arbeid. Mens du beveger deg til høyre øker ladningens kinetiske energi mens den elektriske potensielle energien avtar. Når den kommer nær den negativt ladede platen, er ladningens elektriske potensielle energi på sitt minimum. Det kan konkluderes med at det positive arbeidet som utføres av den elektriske kraften på muatan, noe som reduserer ladningens elektriske potensielle energi. Stvert imot, Jika positiv ladning flyttes tilbake til sin opprinnelige posisjon da er retningen på ladningsoverføringen til venstre, motsatt av retningen elektrisk kraft til høyrenFordi den elektriske kraften er i motsatt retning, gjør den negativt arbeid på den positive ladningen. Når den beveger seg mot venstre, øker den elektriske potensielle energien. Derfor kan man konkludere med at det negative arbeidet som den elektriske kraften gjør på ladningen øker ladningens elektriske potensielle energi.
Negativ ladning i et homogent elektrisk felt
I motsetning til positive ladninger har negative ladninger maksimal elektrisk potensiell energi når de er i nærheten av en negativt ladet plate og minimal elektrisk potensiell energi når de er i nærheten av en positivt ladet plate. Elektriske ladninger beveger seg naturlig fra høyt potensial til lavt potensial, så negative ladninger beveger seg også fra en negativt ladet plate til en positivt ladet plate. Retningen på den negative ladningens bevegelse er til venstre, mens retningen på den elektriske kraften er til høyre, så den elektriske kraften utfører negativt arbeid. Når man beveger seg til venstre, reduseres den elektriske potensielle energien til den negative ladningen og har en minimumsverdi når den negative ladningen kommer i nærheten av den positivt ladede platen. Det kan konkluderes med at det negative arbeidet som utføres av den elektriske kraften reduserer den elektriske potensielle energien til den negative ladningen. Den elektriske potensielle energien går ikke tapt, men omdannes til kinetisk energi, noe som indikeres av den økende hastigheten til ladningen når den beveger seg mot den positivt ladede platen.
Elektrisk potensiell energi i et homogent elektrisk felt
Den elektriske potensielle energien til en ladning når den er i en bestemt posisjon er ukjent. Men hvis ladningen beveger seg fra ett sted til et annet, kan endringen i dens elektriske potensielle energi bestemmes. Derfor er det som betyr noe endringen i potensiell energi (ΔEP).
Til sammenligning, når en mango står på stilken sin, har den gravitasjonspotensiell energi, men verdien kan ikke kjennes. Hvis mangoen akselereres til bakken av tyngdekraften, kan reduksjonen i mangoens gravitasjonspotensielle energi bestemmes gjennom beregninger ved hjelp av formelen W = Δ EP = mgh, hvor m = masse, g = gravitasjonsakselerasjon, h er avstanden mellom mangostilken og bakkeoverflaten.
På samme måte kan endringen i den elektriske potensielle energien til en ladning kjennes når ladningen akselereres av en elektrisk kraft fra ett punkt til et annet. Som forklart tidligere, hvis en positiv ladning beveger seg fra en positivt ladet plate til en negativt ladet plate, beregnes reduksjonen i den elektriske potensielle energien til ladningen ved hjelp av formelen W = ΔEP = qEs, hvor q = elektrisk ladning, E = elektrisk felt og s er avstanden mellom de to platene eller avstanden mellom ett sted og et annet. På samme måte, hvis en negativ ladning beveger seg fra en negativt ladet plate til en positivt ladet plate, beregnes økningen i den elektriske potensielle energien til den negative ladningen ved hjelp av formelen W = ΔEP = qEs.
Elektrisk potensiell energi for to punktladninger
Endringer i elektrisk potensiell energi oppleves ikke bare av ladninger i et homogent elektrisk felt, men også i det elektriske feltet produsert av en enkelt elektrisk ladning. Anta at det finnes en enkelt ladning Q som produserer et elektrisk felt, og ladningen q er i avstand r fra ladningen Q.
Informasjon : k (Coulombs konstant) = 9 x 109 nm2/C2, Q = elektrisk ladning som skaper et elektrisk felt, q = elektrisk ladning som opplever forskyvning i det elektriske feltet generert av ladning Q, s = r = avstanden mellom ladning q og ladning Q.
Hvis begge ladningene har samme fortegn, + eller –, frastøter de to ladningene hverandre eller beveger seg bort fra hverandre, slik at endringen i potensiell energi er positiv (elektrisk potensiell energi øker). Dette ligner på at et masseobjekt beveger seg oppover, bort fra jorden, slik at høyden og gravitasjonspotensielle energien øker. Omvendt, hvis de to ladningene har forskjellige fortegn, tiltrekker de to ladningene hverandre eller beveger seg nærmere hverandre, slik at endringen i potensiell energi er negativ (elektrisk potensiell energi avtar). Dette ligner på at et masseobjekt beveger seg nedover mot jorden, slik at høyden og gravitasjonspotensielle energien avtar.
Den elektriske kraften er en konservativ kraft, så formen på ladningens bane har ingen effekt på endringen i elektrisk potensiell energi. Det som påvirker endringen i elektrisk potensiell energi er ladningens start- og sluttposisjoner.
I neste emne skal vi gjennomgå elektrisk potensial , en fysisk størrelse som er nært knyttet til elektrisk potensiell energi.
