Artikkel om elektrisk potensiell energi
Før du studerer dette emnet, må du først forstå arbeid, de konservative kreftene, forholdet mellom de konservative kreftene og potensiell energi , de elektriske kreftene og det elektriske feltet.
Elektrisk kraft er den konservative kraften
I tillegg til gravitasjonskraften og fjærkraften er et annet eksempel på den konservative kraften den elektriske kraften. For å bedre forstå hvorfor den elektriske kraften kalles den konservative kraften, bør du forstå følgende forklaring.
Anta at det er to elektrisk ladede plater som vist på figuren, den venstre platen er positivt ladet, og den høyre platen er negativt ladet. Pilen mellom de to platene er de elektriske feltlinjene som går ut av den positive ladningen mot den negative ladningen. En positiv ladning er nær en positiv elektrisk ladet plate.
Tilstedeværelsen av det elektriske feltet fører til at den positive ladningen opplever en elektrisk kraft i retning av det elektriske feltet, slik at den positive ladningen akselereres mot høyre mot den negativt ladede platen. Den elektriske kraften er i retning av ladningens bevegelse, slik at den elektriske kraften utfører et positivt arbeid på ladningen. Matematisk sett er arbeidet som utføres av den elektriske kraften på den positive ladningen W = Fd = qEd, hvor W = arbeid, F = den elektriske kraften, d = avstanden mellom de to platene, q = positiv ladning, E = elektrisk felt.
Etter å ha kommet nær den negativt ladede platen, kreves det en ekstern kraft hvis den positive ladningen skal returneres til sin opprinnelige posisjon nær den negativt ladede platen. Når den positive ladningen flyttes til venstre mot den positivt ladede platen, forblir den elektriske kraften rettet mot høyre, slik at den elektriske kraften utfører et negativt arbeid på ladningen. Matematisk sett er arbeidet som utføres av den elektriske kraften på den positive ladningen W = – Fd = – q Ed.
Det totale arbeidet som utføres av den elektriske kraften på den positive ladningen, når ladningen beveger seg til høyre, og deretter beveger seg igjen til venstre til sin opprinnelige posisjon, er W = q E d – q E d = 0. Hvis nettoarbeidet som utføres av kraften på objektet, når objektet beveger seg bort fra sin opprinnelige posisjon og deretter går tilbake til sin opprinnelige posisjon, 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
Arbeid utført av de konservative kreftene er relatert til endringer i potensiell energi. For eksempel endrer arbeidet utført av gravitasjonskraften på et masseobjekt den gravitasjonspotensielle energien til masseobjektet. På samme måte endrer arbeidet utført av den elektriske kraften i en elektrisk ladning den elektriske potensielle energien til ladningen.
Den positive ladningen i det homogene elektriske feltet
De to bildene nedenfor illustrerer eksempler på arbeid utført av de konservative kreftene som forårsaker endringer i den potensielle energien. Forklaring av arbeidet utført av tyngdekraften og endringene i den gravitasjonsmessige potensielle energien brukes som en sammenligning.
for å lette forståelsen av arbeidet som utføres av den elektriske kraften og endringene i den elektriske potensielle energien.
Bildet til venstre viser et objekt som faller fritt mot bakken. Når objekter er på toppen, har de maksimal gravitasjonspotensiell energi. Når de beveger seg nedover, virker gravitasjonskraften på objektet. Retningen på gravitasjonskraften er den samme som bevegelsesretningen til objektet som er nede, slik at gravitasjonskraften utfører positivt arbeid. Når objektet akselereres nedover, reduseres høyden på objektet, slik at objektets gravitasjonspotensielle energi avtar. Når det ankommer bakken, er den gravitasjonspotensielle energien minimal. Det kan konkluderes med at positivt arbeid utført av gravitasjonskraften på objektet reduserer objektets gravitasjonspotensielle energi. Den gravitasjonspotensielle energien går ikke tapt, men omdannes til kinetisk energi, noe som indikeres av økningen i objektets hastighet når det beveger seg nedover.
Figuren til høyre viser den positive ladningen nær den positivt ladede platen. Når den er nær en positivt ladet plate, har den elektriske potensielle energien maksimal verdi. Tilstedeværelsen av et elektrisk felt mellom de to platene fører til at ladningen akselereres av den elektriske kraften fra den positivt ladede platen til den negativt ladede platen. Når ladningen beveger seg til høyre, er den elektriske kraften også i retning av ladningsforskyvningen til høyre, slik at den elektriske kraften utfører positivt arbeid. Under bevegelse til høyre øker den kinetiske energien til ladningen mens den elektriske potensielle energien avtar.
Når den ankommer nær platen med en negativ ladning, har den potensielle elektriske energien minimumsverdi. Det kan konkluderes med at det positive arbeidet som utføres av den elektriske kraften på ladningen, reduserer den elektriske potensielle energien til ladningen. Omvendt, hvis den positive ladningen flyttes tilbake til sin opprinnelige posisjon, endres ladningens retning mot venstre, motsatt retning av den elektriske kraften mot høyre. På grunn av den motsatte retningen, utfører den elektriske kraften et negativt arbeid på den positive ladningen. Når den beveger seg mot venstre, øker den elektriske potensielle energien. Dermed kan det konkluderes med at det negative arbeidet som utføres av den elektriske kraften på ladningen, øker den elektriske potensielle energien til ladningen.
Negativ ladning i det homogene elektriske feltet
I motsetning til den positive ladningen har den negative ladningen maksimal elektrisk potensiell energi når den er nær den negativt ladede platen, og minimal elektrisk potensiell energi når den er nær den positivt ladede platen. Naturligvis beveger den elektriske ladningen seg fra høyt potensial til lavt potensial, så den negative ladningen beveger seg også fra den negativt ladede platen til den positivt ladede platen. Forskyvningsretningen til den negative ladningen er til venstre, mens retningen til den elektriske kraften er til høyre, slik at 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 nær 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, som kjennetegnes ved å øke hastigheten på ladningen når den beveger seg mot den positivt ladede platen.
Elektrisk potensiell energi i det homogene elektriske feltet
Den elektriske potensielle energien til en ladning når ladningen er i en bestemt posisjon, kan ikke vites. Men hvis ladningen beveger seg fra ett sted til et annet, kan endringen i ladningens elektriske potensielle energi beregnes. Så det som er meningsfullt er endringen i potensiell energi. Endringene i elektrisk potensiell energi (ΔEP) kan vites når den positive ladningen beveger seg fra høyt potensial (positivt ladet plate) til lavt potensial (negativt ladet plate).
Til sammenligning, når mangoen står på stilken, har den gravitasjonspotensiell energi, men verdien kan ikke vites. Hvis mangofrukten akselereres mot bakken av gravitasjonskraften, kan endringen i mangoens gravitasjonspotensielle energi vites ved å beregne ved hjelp av formelen W = ΔEP = mgh,
hvor m = masse, g = gravitasjonsakselerasjon, h = avstanden mellom mangoen og bakkeoverflaten.
På samme måte kan endringene i den elektriske potensielle energien til en ladning kjennes når den elektriske kraften akselererer ladningen fra ett punkt til et annet. Som tidligere forklart, hvis den positive ladningen beveger seg fra den positivt ladede platen til den negativt ladede platen,
Endringen i den elektriske potensielle energien beregnes ved hjelp av formelen W = ΔEP = q E d, hvor q = den elektriske ladningen, E = det elektriske feltet og d = avstanden mellom et sted og et annet sted. På samme måte, hvis den negative ladningen beveger seg fra den negativt ladede platen til den positivt ladede platen, beregnes økningen i den elektriske potensielle energien til den negative ladningen ved hjelp av formelen W = ΔEP = q E d.
Den elektriske potensielle energien til de to punktladningene
Endringene i elektrisk potensiell energi oppleves ikke bare av ladningen i et homogent elektrisk felt, men også av det elektriske feltet som produseres av den enkelte elektriske ladningen. Anta at det finnes en enkelt ladning Q som produserer et elektrisk felt, og en ladning med q har en avstand på r fra ladningen Q.
Q = elektrisk ladning som forårsaker et elektrisk felt
q = elektrisk ladning som forskyves i det elektriske feltet produsert av ladningen Q
d = r = avstanden mellom ladning q og ladning Q.
Hvis begge ladningene har samme fortegn, + eller -, frastøter de to ladningene hverandre eller holder seg unna hverandre, slik at endringene i potensiell energi er positive (elektrisk potensiell energi øker). Dette er som et masseobjekt som beveger seg oppover og bort fra jorden, slik at høyden og den gravitasjonsmessige potensielle energien øker. Omvendt, hvis fortegnet til begge ladningene ikke er det samme, trekker de to ladningene hverandre eller nærmer seg hverandre, slik at endringen i potensiell energi er negativ (den elektriske potensielle energien reduseres). Dette er som et masseobjekt som beveger seg nedover og nærmer seg jordoverflaten, slik at høyden og den gravitasjonsmessige potensielle energien reduseres.
Elektrisk kraft er en konservativ kraft, derfor påvirker ikke formen på ladningsbanen endringene i den elektriske potensielle energien. Det som påvirker verdien av endringene i den elektriske potensielle energien er ladningens startposisjon og sluttposisjon.
I neste emne vil vi studere det elektriske potensialet, fysiske størrelser som er sterkt relatert til den elektriske potensielle energien.
