Înainte de a studia acest subiect, trebuie să înțelegeți mai întâi materialul despre fizică , forțe conservative , sarcină electrică , legea lui Coulomb și câmpuri electrice.
Forța electrică este o forță conservativă
Pe lângă forța gravitațională și forța elastică, un alt exemplu de forță conservativă este forța electrică. Pentru a înțelege mai bine de ce forța electrică este numită forță conservativă, citiți următoarea explicație.
Să presupunem că există două plăci încărcate electric, așa cum se arată în imagine, placa din stânga este încărcată pozitiv, iar placa din dreapta este încărcată negativ.n negativ. Săgeata dintre ambele plăci sunt linii de câmp electric Yang dintr-o sarcină pozitivă către o sarcină negativă. O sarcină pozitivă se află în apropierea unei plăci încărcate pozitiv.
Prezența unui câmp electric face ca o sarcină pozitivă să experimenteze o forță electrică în aceeași direcție ca și câmpul electric, astfel încât sarcina pozitivă este accelerată spre dreapta, către placa încărcată negativ. Direcția forței electrice este spre dreapta, în aceeași direcție ca și direcția de mișcare a sarcinii, astfel încât forța electrică efectuează un lucru electric pozitiv asupra sarcinii. Matematic, lucrul electric efectuat de forța electrică asupra unei sarcini pozitive este W = F s = q E s, unde W = lucrul electric, F = forța electrică, s = distanța dintre cele două plăci, q = sarcină pozitivă, E = câmp electric.
După ce ajungeți în apropierea plăcii încărcate negativ, dacă sarcină pozitivă vreau săkembalipoate fi la poziția sa inițială aproape placă încărcată pozitiv atunci este nevoie de stilul tăuAr. Când sarcina este pozitivă mutat La stânga spre placa încărcată pozitiv, forța electrică rămâne îndreptată spre dreapta, astfel încât forța electrică efectuează lucrul mecanic negativ asupra sarcinii. Matematic, lucrul mecanic efectuat de forța electrică asupra unei sarcini pozitive este W = – F s = – q E s.
Lucrul mecanic total efectuat de forța electrică asupra unei sarcini pozitive, atunci când sarcina se deplasează spre dreapta și apoi se deplasează din nou spre stânga, la poziția inițială, este W = q E s – q E s = 0. Dacă lucrul mecanic total efectuat de o forță asupra unui obiect, atunci când obiectul se îndepărtează de poziția sa inițială și apoi revine la poziția inițială, este egal cu zero, atunci forța este o forță conservativă. Pe baza explicației de mai sus, se poate concluziona că forța electrică este o forță conservativă.
Forța electrică și energia potențială electrică
Lucrul mecanic efectuat de o forță conservativă este legat de variația energiei potențiale. De exemplu, lucrul mecanic efectuat de forța gravitațională asupra unei mase modifică energia potențială gravitațională a masei. În mod similar, lucrul mecanic efectuat de o forță electrică asupra unei sarcini electrice modifică energia potențială electrică a sarcinii.
Sarcină pozitivă într-un câmp electric omogen
Cele două figuri de mai jos ilustrează exemple de lucru mecanic efectuat de o forță conservativă care provoacă o modificare a energiei potențiale. Explicațiile lucrului mecanic efectuat de forța gravitațională și modificarea energiei potențiale gravitaționale sunt folosite ca o comparație pentru a facilita înțelegerea lucrului mecanic efectuat de forța electrică și a modificării energiei potențiale electrice.
Imaginea din stânga prezintă un obiect în cădere. bebas spre suprafața solului. Când se află la o anumită înălțime, un obiect are energie potențială gravitațională maximă. Când un obiect se mișcă în jos, forța gravitațională acționează asupra lui. Direcția forței gravitaționale este aceeași cu direcția de deplasare a obiectului, și anume în jos, deci forța gravitațională efectuează lucru mecanic pozitiv. Când un obiect accelerează în jos, înălțimea sa scade, reducând astfel energia sa potențială gravitațională. Când este pe cale să atingă pământul, energia potențială gravitațională este la valoarea sa minimă. Se poate concluziona că lucrul mecanic pozitiv efectuat de forța gravitațională asupra unui obiect reduce energia potențială gravitațională a obiectului. Energia potențială gravitațională nu se pierde, ci este transformată în energie cinetică, ceea ce este indicat de creșterea vitezei obiectului atunci când se mișcă în jos.
Imaginea din dreapta prezintă o sarcină pozitivă.f este în apropierea unei plăci încărcate pozitiv. Când se află în apropierea unei plăci încărcate pozitiv, energia potențială electrică a sarcinii este la maxim. Prezența unui câmp electric între cele două plăci face ca sarcina să fie accelerată de forța electrică de la placă încărcată pozitiv la placă încărcată negativ. Când sarcina se deplasează spre dreapta, forță electrică de asemenea, în aceeași direcție ca deplasarea sarcinii este spre dreapta, astfel încât forța electrică efectuează lucrul mecanic pozitiv. În timp ce se mișcă la dreapta, energia cinetică a sarcinii crește în timp ce energia potențială electrică scade. Când ajunge în apropierea plăcii încărcate negativ, energia potențială electrică a sarcinii este la valoarea sa minimă. Se poate concluziona că lucrul mecanic pozitiv efectuat de forța electrică asupra muatan, reducând energia potențială electrică a sarcinii. Sdimpotrivă, dacă sarcina pozitivă este readusă în poziția inițială atunci direcția transferului de sarcină este spre stânga, opusă direcției forță electrică spre dreaptanDeoarece forța electrică este în direcția opusă, aceasta efectuează lucrul mecanic negativ asupra sarcinii pozitive. Pe măsură ce se mișcă spre stânga, energia potențială electrică crește. Prin urmare, se poate concluziona că lucrul mecanic negativ efectuat de forța electrică asupra sarcinii crește energia potențială electrică a sarcinii.
Sarcină negativă într-un câmp electric omogen
Spre deosebire de sarcinile pozitive, sarcinile negative au energie potențială electrică maximă atunci când se află în apropierea unei plăci încărcate negativ și energie potențială electrică minimă atunci când se află în apropierea unei plăci încărcate pozitiv. În mod natural, sarcinile electrice se deplasează în mod natural de la un potențial ridicat la un potențial scăzut, așadar și sarcinile negative se deplasează de la o placă încărcată negativ la o placă încărcată pozitiv. Direcția de mișcare a sarcinii negative este spre stânga, în timp ce direcția forței electrice este spre dreapta, deci forța electrică efectuează lucru mecanic negativ. Când se deplasează spre stânga, energia potențială electrică a sarcinii negative scade și are o valoare minimă atunci când sarcina negativă ajunge în apropierea plăcii încărcate pozitiv. Se poate concluziona că lucrul mecanic negativ efectuat de forța electrică reduce energia potențială electrică a sarcinii negative. Energia potențială electrică nu se pierde, ci este transformată în energie cinetică, ceea ce este indicat de creșterea vitezei sarcinii atunci când se deplasează spre placa încărcată pozitiv.
Energia potențială electrică într-un câmp electric omogen
Energia potențială electrică a unei sarcini atunci când se află într-o anumită poziție este necunoscută. Cu toate acestea, dacă sarcina se deplasează dintr-o locație în alta, se poate determina modificarea energiei sale potențiale electrice. Prin urmare, ceea ce contează este modificarea energiei potențiale (ΔEP).
Spre comparație, atunci când un mango se află pe tulpină, are energie potențială gravitațională, dar valoarea sa nu poate fi cunoscută. Dacă mango-ul este accelerat spre sol de forța gravitațională, reducerea energiei potențiale gravitaționale a mango-ului poate fi determinată prin calcule folosind formula W = Δ EP = mgh, unde m = masă, g = accelerație gravitațională, h este distanța dintre tulpina mango-ului și suprafața solului.
În mod similar, modificarea energiei potențiale electrice a unei sarcini poate fi cunoscută atunci când sarcina este accelerată de o forță electrică dintr-un punct în altul. Așa cum s-a explicat anterior, dacă o sarcină pozitivă se deplasează de pe o placă încărcată pozitiv pe o placă încărcată negativ, scăderea energiei potențiale electrice a sarcinii se calculează folosind formula W = ΔEP = qEs, unde q = sarcină electrică, E = câmp electric și s este distanța dintre cele două plăci sau distanța dintre un loc și altul. În mod similar, dacă o sarcină negativă se deplasează de pe o placă încărcată negativ pe o placă încărcată pozitiv, creșterea energiei potențiale electrice a sarcinii negative se calculează folosind formula W = ΔEP = qEs.
Energia potențială electrică a două sarcini punctuale
Modificările energiei potențiale electrice nu sunt resimțite doar de sarcinile dintr-un câmp electric omogen, ci și de câmpul electric produs de o singură sarcină electrică. Să presupunem că există o singură sarcină Q care produce un câmp electric, iar sarcina q se află la o distanță r de sarcina Q.
Informație : k (constanta lui Coulomb) = 9 x 109 nm2/C2, Q = sarcina electrică care creează un câmp electric, q = sarcina electrică care se deplasează în câmpul electric generat de sarcina Q, s = r = distanța dintre sarcina q și sarcina Q.
Dacă ambele sarcini au același semn, + sau –, atunci cele două sarcini se resping sau se îndepărtează una de cealaltă, astfel încât variația energiei potențiale este pozitivă (energia potențială electrică crește). Acest lucru este similar cu un obiect de masă care se deplasează în sus, departe de Pământ, astfel încât înălțimea și energia sa potențială gravitațională cresc. Invers, dacă cele două sarcini au semne diferite, cele două sarcini se atrag reciproc sau se apropie una de cealaltă, astfel încât variația energiei potențiale este negativă (energia potențială electrică scade). Acest lucru este similar cu un obiect de masă care se deplasează în jos spre Pământ, astfel încât înălțimea și energia sa potențială gravitațională scad.
Forța electrică este o forță conservativă, deci forma traiectoriei sarcinii nu are niciun efect asupra modificării energiei potențiale electrice. Ceea ce afectează modificarea energiei potențiale electrice sunt pozițiile inițială și finală ale sarcinii.
În subiectul următor, vom trece în revistă potențialul electric , o mărime fizică strâns legată de energia potențială electrică.
