විද්යුත් විභව ශක්තිය පිළිබඳ ලිපිය
මෙම මාතෘකාව අධ්යයනය කිරීමට පෙර, මුලින්ම කාර්යය, ගතානුගතික බලවේග, විභව ශක්තිය සහිත ගතානුගතික බලවේග අතර සම්බන්ධතාවය , විද්යුත් බලවේග සහ විද්යුත් ක්ෂේත්රය තේරුම් ගන්න.
විද්යුත් බලය යනු ගතානුගතික බලයයි.
ගුරුත්වාකර්ෂණ බලය සහ වසන්ත බලයට අමතරව, ගතානුගතික බලයේ තවත් උදාහරණයක් වන්නේ විද්යුත් බලයයි. විද්යුත් බලය ගතානුගතික බලය ලෙස හඳුන්වන්නේ මන්දැයි වඩා හොඳින් තේරුම් ගැනීමට, පහත පැහැදිලි කිරීම තේරුම් ගන්න.
රූපයේ දැක්වෙන පරිදි විද්යුත් ආරෝපිත තහඩු දෙකක් ඇතැයි සිතමු, වම් තහඩුව ධන ආරෝපිත වන අතර දකුණු තහඩුව සෘණ ආරෝපිත වේ. තහඩු දෙක අතර ඇති ඊතලය ධන ආරෝපණයෙන් සෘණ ආරෝපණය දෙසට එන විද්යුත් ක්ෂේත්ර රේඛා වේ. ධන ආරෝපණයක් ධන විද්යුත් ආරෝපිත තහඩුවක් අසල ඇත.
විද්යුත් ක්ෂේත්රය පැවතීම නිසා ධන ආරෝපණය විද්යුත් ක්ෂේත්රයේ දිශාවට විද්යුත් බලය අත්විඳීමට හේතු වන අතර එමඟින් ධන ආරෝපණය සෘණ ආරෝපිත තහඩුව දෙසට දකුණට වේගවත් වේ. ආරෝපණයේ චලිතයේ දිශාවට දකුණට විද්යුත් බලයේ දිශාව, එවිට විද්යුත් බලය ආරෝපණය මත ධනාත්මක කාර්යයක් සිදු කරයි. ගණිතමය වශයෙන්, ධන ආරෝපණය මත විද්යුත් බලය විසින් සිදු කරන කාර්යය W = F d = q E d වේ, එහිදී W = කාර්යය, F = විද්යුත් බලය, d = තහඩු දෙක අතර දුර, q = ධන ආරෝපණය, E = විද්යුත් ක්ෂේත්රය.
සෘණ ආරෝපිත තහඩුව අසලට පැමිණි පසු, ධන ආරෝපණය සෘණ ආරෝපිත තහඩුව අසල එහි මුල් ස්ථානයට නැවත ලබා දීමට නම්, බාහිර බලයක් අවශ්ය වේ. ධන ආරෝපණය ධන ආරෝපිත තහඩුව දෙසට වමට ගෙන යන විට, විද්යුත් බලය දකුණට යොමු වී ඇති අතර එමඟින් විද්යුත් බලය ආරෝපණය මත සෘණ කාර්යයක් සිදු කරයි. ගණිතමය වශයෙන්, ධන ආරෝපණය මත විද්යුත් බලය මගින් සිදු කරන කාර්යය W = – F d = – q E d වේ.
ධන ආරෝපණය මත විද්යුත් බලය මගින් සිදු කරන මුළු කාර්යය, ආරෝපණය දකුණට චලනය වී, පසුව නැවත වමට එහි මුල් ස්ථානයට ගමන් කරන විට, W = q E d – q E d = 0 වේ. වස්තුව එහි මුල් ස්ථානයෙන් ඉවතට ගොස් නැවත එහි මුල් ස්ථානයට ශුන්යයට සමාන වන විට, වස්තුව මත ඇති බලය මගින් ශුද්ධ කාර්යය සිදු කරන්නේ නම්, එවිට බලය ගතානුගතික බලයක් වේ. ඉහත පැහැදිලි කිරීම මත පදනම්ව, විද්යුත් බලය ගතානුගතික බලයක් බව නිගමනය කළ හැකිය.
විද්යුත් බලය සහ විද්යුත් විභව ශක්තිය
ගතානුගතික බලවේග මගින් සිදු කරන කාර්යය විභව ශක්තියේ වෙනස්කම් සමඟ සම්බන්ධ වේ. උදාහරණයක් ලෙස, ස්කන්ධ වස්තුවක් මත ගුරුත්වාකර්ෂණ බලය මගින් සිදු කරන කාර්යය ස්කන්ධ වස්තුවේ ගුරුත්වාකර්ෂණ විභව ශක්තිය වෙනස් කරයි. එලෙසම, විද්යුත් ආරෝපණයක විද්යුත් බලය මගින් සිදු කරන කාර්යය ආරෝපණයේ විද්යුත් විභව ශක්තිය වෙනස් කරයි.
සමජාතීය විද්යුත් ක්ෂේත්රයේ ධන ආරෝපණය
පහත රූප දෙකෙහි විභව ශක්තියේ වෙනස්කම් ඇති කරන ගතානුගතික බලවේග විසින් සිදු කරන ලද කාර්යයන් පිළිබඳ උදාහරණ නිරූපණය කෙරේ. ගුරුත්වාකර්ෂණ බලයෙන් සිදු කරන ලද කාර්යය සහ ගුරුත්වාකර්ෂණ විභව ශක්තියේ වෙනස්කම් පැහැදිලි කිරීම සංසන්දනයක් ලෙස භාවිතා කරයි,
විද්යුත් බලයෙන් සිදු කරන කාර්යය සහ විද්යුත් විභව ශක්තියේ වෙනස්කම් අවබෝධ කර ගැනීමට පහසුකම් සැලසීම.
වම් පස ඇති රූපයේ දැක්වෙන්නේ බිම මතුපිටට නිදහසේ වැටෙන වස්තුවකි. ඉහළින් ඇති විට, වස්තූන්ට උපරිම ගුරුත්වාකර්ෂණ විභව ශක්තිය ඇත. පහළට ගමන් කරන විට, ගුරුත්වාකර්ෂණ බලය වස්තුව මත ක්රියා කරයි. ගුරුත්වාකර්ෂණ බලයේ දිශාව පහළට ඇති වස්තුවේ චලනයේ දිශාවට සමාන වන අතර එමඟින් ගුරුත්වාකර්ෂණ බලය ධනාත්මක කාර්යයක් සිදු කරයි. පහළට ත්වරණය වූ විට, වස්තුවේ උස අඩු වන අතර එමඟින් වස්තුවේ ගුරුත්වාකර්ෂණ විභව ශක්තිය අඩු වේ. බිමට පැමිණෙන විට, ගුරුත්වාකර්ෂණ විභව ශක්තිය අවම වේ. වස්තුව මත ගුරුත්වාකර්ෂණ බලය මගින් සිදු කරන ධනාත්මක කාර්යය වස්තුවේ ගුරුත්වාකර්ෂණ විභව ශක්තිය අඩු කරන බව නිගමනය කළ හැකිය. ගුරුත්වාකර්ෂණ විභව ශක්තිය නැති වී නොයන නමුත් චාලක ශක්තිය බවට වෙනස් වන අතර එය පහළට ගමන් කරන විට වස්තුවේ වේගය වැඩි වීමෙන් පෙන්නුම් කෙරේ.
දකුණු පස ඇති රූපයේ ධන ආරෝපිත තහඩුව අසල ධන ආරෝපණය පෙන්වයි. ධන ආරෝපිත තහඩුවක් අසල ඇති විට, විද්යුත් විභව ශක්තියට උපරිම අගයක් ඇත. තහඩු දෙක අතර විද්යුත් ක්ෂේත්රයක් පැවතීම ධන ආරෝපිත තහඩුවේ සිට සෘණ ආරෝපිත තහඩුව දක්වා විද්යුත් බලය මගින් ආරෝපණය වේගවත් කිරීමට හේතු වේ. ආරෝපණය දකුණට ගමන් කරන විට, විද්යුත් බලය ද දකුණට ආරෝපණ විස්ථාපනයේ දිශාවට පවතින බැවින් විද්යුත් බලය ධනාත්මක කාර්යයක් සිදු කරයි. දකුණට ගමන් කිරීමේදී, ආරෝපණයේ චාලක ශක්තිය වැඩි වන අතර විද්යුත් විභව ශක්තිය අඩු වේ.
සෘණ ආරෝපණයක් සහිත තහඩුව අසලට පැමිණි විට, විභව විද්යුත් ශක්තියට අවම අගයක් ඇත. ආරෝපණය මත විද්යුත් බලය මගින් සිදු කරන ධනාත්මක කාර්යය ආරෝපණයේ විද්යුත් විභව ශක්තිය අඩු කරන බව නිගමනය කළ හැකිය. ප්රතිවිරුද්ධව, ධන ආරෝපණය එහි මුල් ස්ථානයට ආපසු ගෙන ගියහොත් ආරෝපණයේ දිශාව වමට වෙනස් වේ, විද්යුත් බලය දකුණට යොමු කරන දිශාවට ප්රතිවිරුද්ධව. ප්රතිවිරුද්ධ දිශාව නිසා, විද්යුත් බලය ධන ආරෝපණය මත සෘණ කාර්යයක් සිදු කරයි. වමට ගමන් කරන විට, විද්යුත් විභව ශක්තිය වැඩි වේ. මේ අනුව, ආරෝපණය මත විද්යුත් බලය මගින් සිදු කරන සෘණ කාර්යය ආරෝපණයේ විද්යුත් විභව ශක්තිය වැඩි කරන බව නිගමනය කළ හැකිය.
සමජාතීය විද්යුත් ක්ෂේත්රයක සෘණ ආරෝපණය
ධන ආරෝපණය මෙන් නොව, සෘණ ආරෝපණය සෘණ ආරෝපිත තහඩුව අසල ඇති විට උපරිම විද්යුත් විභව ශක්තියක් සහ ධන ආරෝපිත තහඩුව අසල ඇති විට අවම විද්යුත් විභව ශක්තියක් ඇත. ස්වාභාවිකවම, විද්යුත් ආරෝපණය ඉහළ විභවයේ සිට අඩු විභවයට ගමන් කරයි, එබැවින් සෘණ ආරෝපණය ද සෘණ ආරෝපිත තහඩුවේ සිට ධන ආරෝපිත තහඩුවට ගමන් කරයි. සෘණ ආරෝපණයේ විස්ථාපනයේ දිශාව වමට වන අතර, විද්යුත් බලයේ දිශාව දකුණට වන අතර එමඟින් විද්යුත් බලය සෘණ කාර්යයක් සිදු කරයි. වමට ගමන් කරන විට, සෘණ ආරෝපණයේ විද්යුත් විභව ශක්තිය අඩු වන අතර ධන ආරෝපිත තහඩුව අසලට සෘණ ආරෝපණය පැමිණෙන විට අවම අගයක් ඇත. විද්යුත් බලය මගින් සිදු කරන සෘණ කාර්යය සෘණ ආරෝපණයේ විද්යුත් විභව ශක්තිය අඩු කරන බව නිගමනය කළ හැකිය. විද්යුත් විභව ශක්තිය නැති නොවන නමුත් ධන ආරෝපිත තහඩුව දෙසට ගමන් කරන විට ආරෝපණයේ වේගය වැඩි කිරීමෙන් සංලක්ෂිත චාලක ශක්තිය බවට වෙනස් වේ.
සමජාතීය විද්යුත් ක්ෂේත්රයක විද්යුත් විභව ශක්තිය
ආරෝපණයක් යම් ස්ථානයක ඇති විට එහි විද්යුත් විභව ශක්තිය කොපමණද යන්න දැනගත නොහැක. නමුත් ආරෝපණය එක් ස්ථානයක සිට තවත් ස්ථානයකට ගමන් කරන්නේ නම්, ආරෝපණයේ විද්යුත් විභව ශක්තියේ වෙනස ගණනය කළ හැකිය. එබැවින්, අර්ථවත් වන්නේ විභව ශක්තියේ වෙනසයි. ධන ආරෝපණය ඉහළ විභවයේ (ධන ආරෝපිත තහඩුව) සිට අඩු විභවයට (සෘණ ආරෝපිත තහඩුව) ගමන් කරන විට විද්යුත් විභව ශක්තියේ (ΔEP) වෙනස්කම් දැනගත හැකිය.
සංසන්දනය කිරීම සඳහා, අඹ ගෙඩිය එහි කඳේ ඇති විට, අඹ ගෙඩියට ගුරුත්වාකර්ෂණ විභව ශක්තියක් ඇත, නමුත් එහි වටිනාකම දැනගත නොහැක. අඹ ගෙඩිය ගුරුත්වාකර්ෂණ බලයෙන් බිමට වේගවත් කළහොත්, අඹ ගෙඩියේ ගුරුත්වාකර්ෂණ විභව ශක්තියේ වෙනස W = ΔEP = mgh සූත්රය භාවිතයෙන් ගණනය කිරීම හරහා දැනගත හැකිය,
මෙහි m = ස්කන්ධය, g = ගුරුත්වාකර්ෂණ ත්වරණය, h = අඹ ගෙඩිය සහ පොළොවේ මතුපිට අතර දුර.
එලෙසම, විද්යුත් බලය මඟින් ආරෝපණය එක් ලක්ෂ්යයක සිට තවත් ලක්ෂ්යයකට වේගවත් කරන විට ආරෝපණයක විද්යුත් විභව ශක්තියේ වෙනස්කම් දැනගත හැකිය. පෙර පැහැදිලි කළ පරිදි, ධන ආරෝපණය ධන ආරෝපිත තහඩුවේ සිට සෘණ ආරෝපිත තහඩුවට ගමන් කරන්නේ නම්,
විද්යුත් විභව ශක්තියේ වෙනස ගණනය කරනු ලබන්නේ W = ΔEP = q E d යන සූත්රය භාවිතා කරමිනි, එහිදී q = විද්යුත් ආරෝපණය, E = විද්යුත් ක්ෂේත්රය සහ d = ස්ථානයක් සහ තවත් ස්ථානයක් අතර දුර වේ. එලෙසම, සෘණ ආරෝපණය සෘණ ආරෝපිත තහඩුවේ සිට ධන ආරෝපිත තහඩුවට ගමන් කරන්නේ නම්, සෘණ ආරෝපණයේ විද්යුත් විභව ශක්තියේ වැඩිවීම ගණනය කරනු ලබන්නේ W = ΔEP = q E d යන සූත්රය භාවිතා කරමිනි.
ලක්ෂ්ය දෙකේ ආරෝපණවල විද්යුත් විභව ශක්තිය
විද්යුත් විභව ශක්තියේ වෙනස්කම් සමජාතීය විද්යුත් ක්ෂේත්රයක ආරෝපණය මගින් පමණක් නොව, තනි විද්යුත් ආරෝපණය මගින් නිපදවන විද්යුත් ක්ෂේත්රය මගින් ද අත්විඳිය හැකිය. විද්යුත් ක්ෂේත්රයක් නිපදවන තනි ආරෝපණ Q එකක් ඇති බවත්, q ආරෝපණයක් ආරෝපණ Q සිට r දුරක් ඇති බවත් සිතමු.
Q = විද්යුත් ක්ෂේත්රයක් ඇති කරන විද්යුත් ආරෝපණය
q = ආරෝපණය Q මගින් නිපදවන විද්යුත් ක්ෂේත්රයේ විස්ථාපනය වන විද්යුත් ආරෝපණය
d = r = ආරෝපණය q සිට ආරෝපණය Q දක්වා දුර.
ආරෝපණ දෙකටම එකම ලකුණක් තිබේ නම්, + හෝ -, එවිට ආරෝපණ දෙක එකිනෙක විකර්ෂණය කරයි හෝ එකිනෙකින් ඈත්ව සිටියි, එවිට විභව ශක්තියේ වෙනස්කම් ධනාත්මක වේ (විද්යුත් විභව ශක්තිය වැඩි වේ). මෙය පෘථිවියෙන් ඉහළට ඉවතට ගමන් කරන ස්කන්ධ වස්තුවක් වැනිය, එවිට එහි උස සහ ගුරුත්වාකර්ෂණ විභව ශක්තිය වැඩි වේ. ප්රතිවිරුද්ධව, ආරෝපණ දෙකෙහිම ලකුණ සමාන නොවේ නම්, ආරෝපණ දෙක එකිනෙක ඇද ගනී හෝ එකිනෙකට ළඟා වේ, එවිට විභව ශක්තියේ වෙනස සෘණ වේ (විද්යුත් විභව ශක්තිය අඩු වේ). මෙය පෘථිවියේ මතුපිටට ළඟා වන ස්කන්ධ වස්තුවක් පහළට ගමන් කරන අතර එමඟින් එහි උස සහ ගුරුත්වාකර්ෂණ විභව ශක්තිය අඩු වේ.
විද්යුත් බලය යනු ගතානුගතික බලයකි, එබැවින් ආරෝපණ මාර්ගයේ හැඩය විද්යුත් විභව ශක්තියේ වෙනස්කම් වලට බලපාන්නේ නැත. විද්යුත් විභව ශක්තියේ වෙනස්කම් වල අගයට බලපාන්නේ ආරෝපණයේ ආරම්භක ස්ථානය සහ අවසාන ස්ථානයයි.
ඊළඟ මාතෘකාවේදී විද්යුත් විභවය, විද්යුත් විභව ශක්තියට දැඩි ලෙස සම්බන්ධ වන භෞතික රාශි පිළිබඳව අධ්යයනය කෙරේ.
