Articol despre energia potențială electrică
Înainte de a studia acest subiect, trebuie mai întâi să înțelegeți lucrul mecanic, forțele conservative, relația dintre forțele conservative și energia potențială , forțele electrice și câmpul electric.
Forța electrică este forța conservativă
Pe lângă forța gravitațională și forța arcului, un alt exemplu de forță conservativă este forța electrică. Pentru a înțelege mai bine de ce forța electrică este numită forță conservativă, înțelegeți următoarea explicație.
Să presupunem că există două plăci încărcate electric, așa cum se arată în figură, placa din stânga este încărcată pozitiv, iar placa din dreapta este încărcată negativ. Săgeata dintre cele două plăci reprezintă liniile câmpului electric care ies din sarcina pozitivă spre sarcina negativă. O sarcină pozitivă se află în apropierea unei plăci încărcate electric pozitiv.
Prezența câmpului electric face ca sarcina pozitivă să experimenteze forța electrică în direcția câmpului electric, astfel încât sarcina pozitivă este accelerată spre dreapta, către placa încărcată negativ. Direcția forței electrice este spre dreapta, în direcția mișcării sarcinii, astfel încât forța electrică efectuează un lucru electric pozitiv asupra sarcinii. Matematic, lucrul mecanic efectuat de forța electrică asupra sarcinii pozitive este W = F d = q E d, unde W = lucrul mecanic, F = forța electrică, d = distanța dintre cele două plăci, q = sarcină pozitivă, E = câmp electric.
După ce sarcina pozitivă ajunge în apropierea plăcii încărcate negativ, pentru ca aceasta să revină la poziția inițială în apropierea plăcii încărcate negativ, este necesară o forță externă. Când sarcina pozitivă este deplasată spre stânga, către placa încărcată pozitiv, forța electrică rămâne direcționată spre dreapta, astfel încât forța electrică efectuează un lucru mecanic negativ asupra sarcinii. Matematic, lucrul mecanic efectuat de forța electrică asupra sarcinii pozitive este W = – F d = – q E d.
Lucrul mecanic total efectuat de forța electrică asupra sarcinii pozitive, atunci când sarcina se deplasează spre dreapta, apoi se deplasează din nou spre stânga, la poziția inițială, este W = qEd – qEd = 0. Dacă lucrul mecanic net este efectuat de forță asupra obiectului, atunci când obiectul se îndepărtează de poziția sa inițială și apoi revine la poziția inițială, egală 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 forțele conservative este legat de modificările energiei potențiale. De exemplu, lucrul mecanic efectuat de forța gravitațională asupra unui obiect cu masă modifică energia potențială gravitațională a obiectului cu masă. În mod similar, lucrul mecanic efectuat de forța electrică asupra unei sarcini electrice modifică energia potențială electrică a sarcinii.
Sarcina pozitivă în câmpul electric omogen
Cele două imagini de mai jos ilustrează exemple de lucru mecanic efectuat de forțele conservative care provoacă modificări ale energiei potențiale. Explicația lucrului mecanic efectuat de forța gravitațională și modificările energiei potențiale gravitaționale este folosită ca o comparație.
pentru a facilita înțelegerea lucrului mecanic efectuat de forța electrică și a modificărilor energiei potențiale electrice.
Imaginea din stânga prezintă un obiect care cade liber spre suprafața solului. Când se află în vârf, obiectele au energie potențială gravitațională maximă. Când se mișcă în jos, forța gravitațională acționează asupra obiectului. Direcția forței gravitaționale este aceeași cu direcția de mișcare a obiectului care este în jos, astfel încât forța gravitațională efectuează un lucru mecanic pozitiv. Când este accelerat în jos, înălțimea obiectului scade, astfel încât energia potențială gravitațională a obiectului scade. La sosirea la sol, energia potențială gravitațională este minimă. Se poate concluziona că lucrul mecanic pozitiv efectuat de forța gravitațională asupra obiectului reduce energia potențială gravitațională a acestuia. Energia potențială gravitațională nu se pierde, ci se transformă în energie cinetică, ceea ce este indicat de creșterea vitezei obiectului atunci când acesta se mișcă în jos.
Figura din dreapta prezintă sarcina pozitivă în apropierea plăcii încărcate pozitiv. Când se află în apropierea unei plăci încărcate pozitiv, energia potențială electrică are valoarea maximă. Prezența unui câmp electric între cele două plăci face ca sarcina să fie accelerată de forța electrică de la placa încărcată pozitiv la placa încărcată negativ. Când sarcina se mișcă spre dreapta, forța electrică este, de asemenea, în direcția deplasării sarcinii spre dreapta, astfel încât forța electrică efectuează lucru mecanic pozitiv. În timpul deplasării spre dreapta, energia cinetică a sarcinii crește, în timp ce energia potențială electrică scade.
La sosirea în apropierea plăcii cu o sarcină negativă, energia electrică potențială are valoarea minimă. Se poate concluziona că lucrul mecanic pozitiv efectuat de forța electrică asupra sarcinii reduce energia potențială electrică a acesteia. Invers, dacă sarcina pozitivă este mutată înapoi în poziția inițială, atunci direcția sarcinii se schimbă spre stânga, opusă direcției forței electrice spre dreapta. Din cauza direcției opuse, forța electrică efectuează un lucru mecanic negativ asupra sarcinii pozitive. Când se deplasează spre stânga, energia potențială electrică crește. Astfel, se poate concluziona că lucrul mecanic negativ efectuat de forța electrică asupra sarcinii crește energia potențială electrică a sarcinii.
Sarcină negativă în câmpul electric omogen
Spre deosebire de sarcina pozitivă, sarcina negativă are energia potențială electrică maximă atunci când se află în apropierea plăcii încărcate negativ și energia potențială electrică minimă atunci când se află în apropierea plăcii încărcate pozitiv. În mod natural, sarcina electrică se deplasează de la un potențial ridicat la unul scăzut, astfel încât și sarcina negativă se deplasează de la placa încărcată negativ la placa încărcată pozitiv. Direcția de deplasare a sarcinii negative este spre stânga, în timp ce direcția forței electrice este spre dreapta, astfel încât 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 se transformă în energie cinetică, care se caracterizează prin creșterea vitezei sarcinii atunci când se deplasează spre placa încărcată pozitiv.
Energia potențială electrică în câmpul electric omogen
Energia potențială electrică a unei sarcini atunci când sarcina se află într-o anumită poziție, valoarea acesteia nu poate fi cunoscută. Dar dacă sarcina se deplasează dintr-un loc în altul, se poate calcula modificarea energiei potențiale electrice a sarcinii. Așadar, ceea ce este semnificativ este modificarea energiei potențiale. Modificările energiei potențiale electrice (ΔEP) pot fi cunoscute atunci când sarcina pozitivă se deplasează de la potențialul ridicat (placa încărcată pozitiv) la potențialul scăzut (placa încărcată negativ).
Pentru comparație, atunci când mango-ul este pe tulpină, are energie potențială gravitațională, dar valoarea sa nu poate fi cunoscută. Dacă fructul de mango este accelerat spre sol de forța gravitațională, schimbarea energiei potențiale gravitaționale a mango-ului poate fi cunoscută prin calcul folosind formula W = ΔEP = mgh,
unde m = masa, g = accelerația gravitațională, h = distanța dintre mango și suprafața solului.
De asemenea, modificările energiei potențiale electrice a unei sarcini pot fi cunoscute atunci când forța electrică accelerează sarcina dintr-un punct în altul. Așa cum s-a explicat anterior, dacă sarcina pozitivă se deplasează de la placa încărcată pozitiv la placa încărcată negativ,
Variația energiei potențiale electrice se calculează folosind formula W = ΔEP = qEd, unde q = sarcina electrică, E = câmpul electric și d = distanța dintre un loc și un alt loc. În mod similar, dacă sarcina negativă se deplasează de la placa încărcată negativ la placa încărcată pozitiv, creșterea energiei potențiale electrice a sarcinii negative se calculează folosind formula W = ΔEP = qEd.
Energia potențială electrică a două sarcini punctuale
Modificările energiei potențiale electrice nu sunt resimțite doar de sarcina dintr-un câmp electric omogen, ci și de câmpul electric produs de sarcina electrică singulară. Să presupunem că există o singură sarcină Q care produce un câmp electric și o sarcină de q are o distanță de r față de sarcina Q.
Q = sarcina electrică ce provoacă un câmp electric
q = sarcina electrică dislocată în câmpul electric produs de sarcina Q
d = r = distanța dintre sarcina q și sarcina Q.
Dacă ambele sarcini au același semn, + sau -, atunci cele două sarcini se resping reciproc sau se țin departe una de cealaltă, astfel încât modificările energiei potențiale sunt pozitive (energia potențială electrică crește). Aceasta este similară cu un obiect de masă care se mișcă în sus, îndepărtându-se de Pământ, astfel încât înălțimea sa și energia potențială gravitațională cresc. Invers, dacă semnul ambelor sarcini nu este același, cele două sarcini se trag reciproc sau se apropie una de cealaltă, astfel încât modificarea energiei potențiale este negativă (energia potențială electrică este redusă). Aceasta este similară cu un obiect de masă care se mișcă în jos și se apropie de suprafața Pământului, astfel încât înălțimea sa și energia potențială gravitațională sunt reduse.
Forța electrică este o forță conservativă, prin urmare, forma traiectoriei sarcinii nu afectează modificările energiei potențiale electrice. Ceea ce influențează valoarea modificărilor energiei potențiale electrice este poziția inițială și poziția finală a sarcinii.
În următoarea temă se va studia potențialul electric, o mărime fizică strâns legată de energia potențială electrică.
