Pred štúdiom tejto témy si najprv preštudujte látku z fyziky , konzervatívnych síl , elektrického náboja , Coulombovho zákona a elektrických polí.
Elektrická sila je konzervatívna sila
Okrem gravitačnej sily a sily pružiny je ďalším príkladom konzervatívnej sily aj elektrická sila. Pre lepšie pochopenie toho, prečo sa elektrická sila nazýva konzervatívna sila, si prečítajte nasledujúce vysvetlenie.
Predpokladajme, že máme dve elektricky nabité platne, ako je znázornené na obrázku, pričom ľavá platňa je kladne nabitá a pravá platňa je záporne nabitá.n negatív. Šípka medzi obe dosky sú čiary elektrického poľa Yang z kladného náboja smerom k zápornému náboju. Kladný náboj sa nachádza v blízkosti kladne nabitej platne.
Prítomnosť elektrického poľa spôsobuje, že na kladný náboj pôsobí elektrická sila v rovnakom smere ako elektrické pole, takže kladný náboj je zrýchľovaný doprava smerom k záporne nabitej platni. Smer elektrickej sily je doprava, v rovnakom smere ako smer pohybu náboja, takže elektrická sila vykonáva na náboji kladnú prácu. Matematicky je práca vykonaná elektrickou silou na kladnom náboji W = Fs = q Es, kde W = práca, F = elektrická sila, s = vzdialenosť medzi dvoma platňami, q = kladný náboj, E = elektrické pole.
Po príchode do blízkosti záporne nabitej platne, ak kladný náboj chcieťnávratmôže byť do pôvodnej polohy blízko kladne nabitá doska potom je potrebný tvoj štýlsú Keď je náboj kladný presunutý doľava smerom k kladne nabitej platni, elektrická sila zostáva smerovaná doprava, takže elektrická sila vykonáva zápornú prácu na náboji. Matematicky je práca vykonaná elektrickou silou na kladnom náboji W = – F s = – q E s.
Celková práca vykonaná elektrickou silou na kladnom náboji, keď sa náboj pohybuje doprava a potom sa opäť pohybuje doľava do svojej pôvodnej polohy, je W = q E s – q E s = 0. Ak je celková práca vykonaná silou na telese, keď sa teleso pohybuje zo svojej pôvodnej polohy a potom sa vracia do svojej pôvodnej polohy, rovná nule, potom je sila konzervatívna sila. Na základe vyššie uvedeného vysvetlenia možno usúdiť, že elektrická sila je konzervatívna sila.
Elektrická sila a elektrická potenciálna energia
Práca vykonaná konzervatívnou silou súvisí so zmenou potenciálnej energie. Napríklad práca vykonaná gravitačnou silou na hmote mení gravitačnú potenciálnu energiu hmoty. Podobne práca vykonaná elektrickou silou na elektrický náboj mení elektrickú potenciálnu energiu náboja.
Kladný náboj v homogénnom elektrickom poli
Dva obrázky nižšie ilustrujú príklady práce vykonanej konzervatívnou silou, ktorá spôsobuje zmenu potenciálnej energie. Vysvetlenia práce vykonanej gravitačnou silou a zmeny gravitačnej potenciálnej energie slúžia na porovnanie, aby sa uľahčilo pochopenie práce vykonanej elektrickou silou a zmeny elektrickej potenciálnej energie.
Obrázok vľavo zobrazuje padajúci predmet. bebas smerom k povrchu zeme. Keď sa objekt nachádza vo výške, má maximálnu gravitačnú potenciálnu energiu. Keď sa objekt pohybuje smerom nadol, pôsobí naň gravitačná sila. Smer gravitačnej sily je rovnaký ako smer pohybu objektu, teda smerom nadol, takže gravitačná sila vykonáva kladnú prácu. Keď objekt zrýchľuje smerom nadol, jeho výška sa znižuje, čím sa znižuje jeho gravitačná potenciálna energia. Keď sa blíži k zemi, gravitačná potenciálna energia má minimálnu hodnotu. Dá sa konštatovať, že kladná práca vykonaná gravitačnou silou na objekte znižuje gravitačnú potenciálnu energiu objektu. Gravitačná potenciálna energia sa nestráca, ale premieňa sa na kinetickú energiu, čo sa prejavuje zvyšujúcou sa rýchlosťou objektu pri pohybe smerom nadol.
Obrázok vpravo zobrazuje kladný náboj.f je v blízkosti kladne nabitej platne. V blízkosti kladne nabitej platne je elektrická potenciálna energia náboja maximálna. Prítomnosť elektrického poľa medzi dvoma platňami spôsobuje, že náboj je zrýchlený elektrickou silou z kladne nabitá platňa k záporne nabitej platni. Keď záťaž sa pohybuje doprava, elektrická sila tiež v rovnakom smere ako Posun náboja je doprava, takže elektrická sila vykonáva kladnú prácu. Počas pohybu vpravo sa kinetická energia náboja zvyšuje, zatiaľ čo elektrická potenciálna energia klesá. Keď sa náboj priblíži k záporne nabitej platni, jeho potenciálna energia je minimálna. Dá sa usudzovať, že kladná práca vykonaná elektrickou silou na náklad, čím sa znižuje elektrická potenciálna energia náboja. Snaopak, ak kladný náboj sa presunie späť do pôvodnej polohy potom je smer prenosu náboja doľava, opačný k smeru elektrická sila dopravanPretože elektrická sila pôsobí v opačných smeroch, vykonáva na kladnom náboji zápornú prácu. Ako sa pohybuje doľava, elektrická potenciálna energia sa zvyšuje. Preto možno usudzovať, že záporná práca vykonaná elektrickou silou na náboji zvyšuje jeho elektrickú potenciálnu energiu.
Záporný náboj v homogénnom elektrickom poli
Na rozdiel od kladných nábojov majú záporné náboje maximálnu elektrickú potenciálnu energiu, keď sa nachádzajú v blízkosti záporne nabitej platne, a minimálnu elektrickú potenciálnu energiu, keď sa nachádzajú v blízkosti kladne nabitej platne. Elektrické náboje sa prirodzene pohybujú z vysokého potenciálu na nízky, takže aj záporné náboje sa pohybujú zo záporne nabitej platne na kladne nabitú platňu. Smer pohybu záporného náboja je doľava, zatiaľ čo smer elektrickej sily je doprava, takže elektrická sila vykonáva zápornú prácu. Pri pohybe doľava sa elektrická potenciálna energia záporného náboja znižuje a dosahuje minimálnu hodnotu, keď sa záporný náboj priblíži ku kladne nabitej platni. Dá sa usúdiť, že záporná práca vykonaná elektrickou silou znižuje elektrickú potenciálnu energiu záporného náboja. Elektrická potenciálna energia sa nestráca, ale premieňa sa na kinetickú energiu, čo sa prejavuje zvyšujúcou sa rýchlosťou náboja pri pohybe smerom ku kladne nabitej platni.
Elektrická potenciálna energia v homogénnom elektrickom poli
Elektrická potenciálna energia náboja, keď sa nachádza v určitej polohe, nie je známa. Ak sa však náboj pohybuje z jedného miesta na druhé, zmenu jeho elektrickej potenciálnej energie možno určiť. Preto je dôležitá zmena potenciálnej energie (ΔEP).
Pre porovnanie, keď mango leží na stonke, má gravitačnú potenciálnu energiu, ale jej hodnotu nie je možné poznať. Ak je mango zrýchlené k zemi gravitačnou silou, zníženie gravitačnej potenciálnej energie manga možno určiť výpočtami pomocou vzorca W = Δ EP = mgh, kde m = hmotnosť, g = gravitačné zrýchlenie, h je vzdialenosť medzi stonkou manga a povrchom zeme.
Podobne, zmenu elektrickej potenciálnej energie náboja možno poznať, keď je náboj zrýchľovaný elektrickou silou z jedného bodu do druhého. Ako už bolo vysvetlené, ak sa kladný náboj pohybuje z kladne nabitej platne na záporne nabitú platňu, pokles elektrickej potenciálnej energie náboja sa vypočíta pomocou vzorca W = ΔEP = q E s , kde q = elektrický náboj, E = elektrické pole a s je vzdialenosť medzi dvoma platňami alebo vzdialenosť medzi jednotlivými miestami. Podobne, ak sa záporný náboj pohybuje zo záporne nabitej platne na kladne nabitú platňu, zvýšenie elektrickej potenciálnej energie záporného náboja sa vypočíta pomocou vzorca W = ΔEP = q E s.
Elektrická potenciálna energia dvoch bodových nábojov
Zmeny v elektrickej potenciálnej energii nepociťujú len náboje v homogénnom elektrickom poli, ale aj elektrickom poli vytvorenom jedným elektrickým nábojom. Predpokladajme, že existuje jeden náboj Q, ktorý vytvára elektrické pole a náboj q je vo vzdialenosti r od náboja Q.
Informácie: k (Coulombova konštanta) = 9 x 109 nm2/C2, Q = elektrický náboj, ktorý vytvára elektrické pole, q = elektrický náboj, ktorý sa posunie v elektrickom poli generovanom nábojom Q, s = r = vzdialenosť náboja q od náboja Q.
Ak majú oba náboje rovnaké znamienko, + alebo –, potom sa oba náboje navzájom odpudzujú alebo sa od seba vzďaľujú, takže zmena potenciálnej energie je kladná (elektrická potenciálna energia sa zvyšuje). Je to podobné, ako keď sa hmotný objekt pohybuje smerom nahor od Zeme, takže jeho výška a gravitačná potenciálna energia sa zvyšujú. Naopak, ak majú dva náboje rôzne znamienka, oba náboje sa navzájom priťahujú alebo sa k sebe približujú, takže zmena potenciálnej energie je záporná (elektrická potenciálna energia sa znižuje). Je to podobné, ako keď sa hmotný objekt pohybuje smerom nadol k Zemi, takže jeho výška a gravitačná potenciálna energia sa znižujú.
Elektrická sila je konzervatívna sila, takže tvar dráhy náboja nemá vplyv na zmenu elektrickej potenciálnej energie. Zmenu elektrickej potenciálnej energie ovplyvňuje počiatočná a konečná poloha náboja.
V ďalšej téme si zopakujeme elektrický potenciál , fyzikálnu veličinu, ktorá úzko súvisí s elektrickou potenciálnou energiou.
