Прежде чем изучать эту тему, сначала ознакомьтесь с материалом по физике , консервативным силам , электрическому заряду , закону Кулона и электрическим полям.
Электрическая сила — это сила, сохраняющая силу.
Помимо силы тяжести и силы пружины, еще одним примером консервативной силы является электрическая сила. Чтобы лучше понять, почему электрическая сила называется консервативной силой, прочтите следующее объяснение.
Предположим, что есть две электрически заряженные пластины, как показано на рисунке: левая пластина заряжена положительно, а правая — отрицательно.n отрицательный. Стрелка между обе пластины линии электрического поля который от положительного заряда к отрицательному. Положительный заряд находится рядом с положительно заряженной пластиной.
Наличие электрического поля приводит к тому, что положительный заряд испытывает электрическую силу, направленную в ту же сторону, что и электрическое поле, так что положительный заряд ускоряется вправо, к отрицательно заряженной пластине. Направление электрической силы — вправо, в том же направлении, что и движение заряда, поэтому электрическая сила совершает положительную работу над зарядом. Математически работа, совершаемая электрической силой над положительным зарядом, равна W = F s = q E s, где W — работа, F — электрическая сила, s — расстояние между двумя пластинами, q — положительный заряд, E — электрическое поле.
При приближении к отрицательно заряженной пластине, если положительный заряд хотяткембалиможет быть в исходное положение около положительно заряженная пластина тогда нужен ваш стиль.ар. Когда заряд положительный взолнованный Слева к положительно заряженной пластинеЭлектрическая сила остается направленной вправо, так что она совершает отрицательную работу над зарядом. Математически работа, совершаемая электрической силой над положительным зарядом, равна W = – F s = – q E s.
Полная работа, совершаемая электрической силой над положительным зарядом при движении заряда вправо, а затем снова влево, в исходное положение, равна W = qEs – qEs = 0. Если полная работа, совершаемая силой над объектом при его удалении из исходного положения и последующем возвращении в исходное положение, равна нулю, то эта сила является консервативной. На основании приведенного выше объяснения можно заключить, что электрическая сила является консервативной силой.
Электрическая сила и электрическая потенциальная энергия
Работа, совершаемая консервативной силой, связана с изменением потенциальной энергии. Например, работа, совершаемая силой гравитации над массой, изменяет гравитационную потенциальную энергию этой массы. Аналогично, работа, совершаемая электрической силой над электрическим зарядом, изменяет электрическую потенциальную энергию этого заряда.
Положительный заряд в однородном электрическом поле
Приведенные ниже две диаграммы иллюстрируют примеры работы, совершаемой консервативной силой, которая вызывает изменение потенциальной энергии. Объяснения работы, совершаемой силой тяжести, и изменения гравитационной потенциальной энергии используются для сравнения, чтобы облегчить понимание работы, совершаемой электрической силой, и изменения электрической потенциальной энергии.
На изображении слева показан падающий предмет. бебас к поверхности земли. Находясь на высоте, объект обладает максимальной гравитационной потенциальной энергией. Когда объект движется вниз, на него действует сила гравитации. Направление силы гравитации совпадает с направлением перемещения объекта, то есть вниз, поэтому сила гравитации совершает положительную работу. Когда объект ускоряется вниз, его высота уменьшается, тем самым уменьшая его гравитационную потенциальную энергию. В момент приближения к земле гравитационная потенциальная энергия достигает своего минимального значения. Можно сделать вывод, что положительная работа, совершаемая силой гравитации над объектом, уменьшает гравитационную потенциальную энергию объекта. Гравитационная потенциальная энергия не теряется, а преобразуется в кинетическую энергию, что подтверждается увеличением скорости объекта при движении вниз.
На изображении справа показан положительный заряд.Заряд f находится вблизи положительно заряженной пластины. Вблизи положительно заряженной пластины электрическая потенциальная энергия заряда достигает своего максимума. Наличие электрического поля между двумя пластинами приводит к ускорению заряда электрической силой. Положительно заряженная пластина к отрицательно заряженной пластине. Когда груз перемещается вправоэлектрическая сила также в том же направлении, что и Смещение заряда происходит вправо, поэтому электрическая сила совершает положительную работу. Во время движения Справа кинетическая энергия заряда возрастает, а электрическая потенциальная энергия уменьшается. При приближении к отрицательно заряженной пластине электрическая потенциальная энергия заряда достигает своего минимального значения. Можно сделать вывод, что положительная работа, совершаемая электрической силой, муатан, уменьшая электрическую потенциальную энергию заряда. SНапротив, Jika Положительный заряд возвращается в исходное положение. тогда направление переноса заряда будет влево, противоположно направлению электрическая сила вправоnПоскольку электрическая сила направлена в противоположную сторону, она совершает отрицательную работу над положительным зарядом. По мере движения влево электрическая потенциальная энергия увеличивается. Следовательно, можно заключить, что отрицательная работа, совершаемая электрической силой над зарядом, увеличивает электрическую потенциальную энергию заряда.
Отрицательный заряд в однородном электрическом поле
В отличие от положительных зарядов, отрицательные заряды обладают максимальной электрической потенциальной энергией, когда находятся вблизи отрицательно заряженной пластины, и минимальной электрической потенциальной энергией, когда находятся вблизи положительно заряженной пластины. Естественно, электрические заряды движутся от высокого потенциала к низкому, поэтому отрицательные заряды также движутся от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной пластине. Направление движения отрицательного заряда — влево, а направление электрической силы — вправо, поэтому электрическая сила совершает отрицательную работу. При движении влево электрическая потенциальная энергия отрицательного заряда уменьшается и достигает минимального значения, когда отрицательный заряд приближается к положительно заряженной пластине. Можно сделать вывод, что отрицательная работа, совершаемая электрической силой, уменьшает электрическую потенциальную энергию отрицательного заряда. Электрическая потенциальная энергия не теряется, а преобразуется в кинетическую энергию, что подтверждается увеличением скорости заряда при движении к положительно заряженной пластине.
Электрическая потенциальная энергия в однородном электрическом поле
Электрическая потенциальная энергия заряда, находящегося в определенном положении, неизвестна. Однако, если заряд перемещается из одного места в другое, можно определить изменение его электрической потенциальной энергии. Следовательно, важна именно величина изменения потенциальной энергии (ΔEP).
Для сравнения, когда манго стоит на стебле, оно обладает гравитационной потенциальной энергией, но её значение неизвестно. Если манго ускоряется и падает на землю под действием силы тяжести, уменьшение гравитационной потенциальной энергии манго можно определить с помощью расчётов по формуле W = Δ EP = mgh, где m = масса, g = ускорение свободного падения, h - расстояние между стеблем манго и поверхностью земли.
Аналогично, изменение электрической потенциальной энергии заряда можно определить, когда заряд ускоряется электрической силой из одной точки в другую. Как объяснялось ранее, если положительный заряд перемещается с положительно заряженной пластины на отрицательно заряженную пластину, уменьшение электрической потенциальной энергии заряда рассчитывается по формуле W = Δ EP = q E s, где q = электрический заряд, E = электрическое поле, а s — расстояние между двумя пластинами или расстояние между одной точкой и другой. Аналогично, если отрицательный заряд перемещается с отрицательно заряженной пластины на положительно заряженную пластину, увеличение электрической потенциальной энергии отрицательного заряда рассчитывается по формуле W = ΔEP = q E s.
Электрическая потенциальная энергия двух точечных зарядов
Изменения электрической потенциальной энергии происходят не только у зарядов в однородном электрическом поле, но и в электрическом поле, создаваемом отдельным электрическим зарядом. Предположим, что существует отдельный заряд Q, создающий электрическое поле, и заряд q находится на расстоянии r от заряда Q.
Информация : k (постоянная Кулона) = 9 x 109 Nm2/C2, Q = электрический заряд, создающий электрическое поле. q = электрический заряд, испытывающий смещение в электрическом поле, создаваемом зарядом Q. s = r = расстояние заряда q от заряда Q.
Если оба заряда имеют одинаковый знак, + или –, то они отталкиваются друг от друга, то есть удаляются, так что изменение потенциальной энергии становится положительным (электрическая потенциальная энергия увеличивается). Это похоже на движение объекта массой вверх, от Земли, в результате чего его высота и гравитационная потенциальная энергия увеличиваются. И наоборот, если два заряда имеют разные знаки, то они притягиваются друг к другу, то есть сближаются, так что изменение потенциальной энергии становится отрицательным (электрическая потенциальная энергия уменьшается). Это похоже на движение объекта массой вниз, к Земле, в результате чего его высота и гравитационная потенциальная энергия уменьшаются.
Электрическая сила является консервативной силой, поэтому форма траектории движения заряда не влияет на изменение электрической потенциальной энергии. На изменение электрической потенциальной энергии влияют начальное и конечное положения заряда.
В следующей теме мы рассмотрим электрический потенциал — физическую величину, тесно связанную с электрической потенциальной энергией.
