Preden se lotite študija te teme, se najprej seznanite s snovjo o fiziki , konzervativnih silah , električnem naboju , Coulombovem zakonu in električnih poljih.
Električna sila je konzervativna sila
Poleg gravitacijske sile in sile vzmeti je še en primer konzervativne sile električna sila. Da bi bolje razumeli, zakaj se električna sila imenuje konzervativna sila, preberite naslednjo razlago.
Predpostavimo, da imamo dve električno nabiti plošči, kot je prikazano na sliki, leva plošča je pozitivno nabita, desna pa negativno.n negativno. Puščica med obe plošči sta linije električnega polja yang iz pozitivnega naboja proti negativnemu naboju. Pozitivni naboj je blizu pozitivno nabite plošče.
Prisotnost električnega polja povzroči, da na pozitivni naboj deluje električna sila v isti smeri kot električno polje, tako da se pozitivni naboj pospeši v desno proti negativno nabiti plošči. Smer električne sile je v desno, v isti smeri kot smer gibanja naboja, tako da električna sila opravlja pozitivno delo na naboju. Matematično je delo, ki ga električna sila opravi na pozitivni naboj, W = Fs = q Es, kjer je W = delo, F = električna sila, s = razdalja med ploščama, q = pozitivni naboj, E = električno polje.
Po prihodu v bližino negativno nabite plošče, če pozitivni naboj želimvrnitevlahko v prvotni položaj blizu pozitivno nabita plošča potem je potreben tvoj stilso Ko je naboj pozitiven premaknjen na levo proti pozitivno nabiti plošči, električna sila ostane usmerjena v desno, tako da električna sila opravlja negativno delo na naboju. Matematično je delo, ki ga električna sila opravi na pozitivnem naboju, W = – F s = – q E s.
Skupno delo, ki ga električna sila opravi na pozitivnem naboju, ko se naboj premakne v desno in nato spet v levo v prvotni položaj, je W = q E s – q E s = 0. Če je skupno delo sile na predmetu, ko se predmet premakne iz prvotnega položaja in se nato vrne v prvotni položaj, enako nič, potem je sila konzervativna sila. Na podlagi zgornje razlage lahko sklepamo, da je električna sila konzervativna sila.
Električna sila in električna potencialna energija
Delo, ki ga opravi konzervativna sila, je povezano s spremembo potencialne energije. Na primer, delo, ki ga opravi gravitacijska sila na maso, spremeni gravitacijsko potencialno energijo mase. Podobno delo, ki ga opravi električna sila na električni naboj, spremeni električno potencialno energijo naboja.
Pozitivni naboj v homogenem električnem polju
Spodnji sliki prikazujeta primera dela, ki ga opravi konzervativna sila in povzroči spremembo potencialne energije. Razlage dela gravitacijske sile in spremembe gravitacijske potencialne energije se uporabljajo za primerjavo, ki olajša razumevanje dela električne sile in spremembe električne potencialne energije.
Slika na levi prikazuje padajoči predmet. brezplačno proti površini tal. Ko je objekt na višini, ima največjo gravitacijsko potencialno energijo. Ko se predmet premika navzdol, nanj deluje sila gravitacije. Smer gravitacijske sile je enaka smeri premika predmeta, in sicer navzdol, zato gravitacijska sila opravlja pozitivno delo. Ko se predmet pospešuje navzdol, se njegova višina zmanjša, s tem pa se zmanjša tudi njegova gravitacijska potencialna energija. Ko se bliža tlom, je gravitacijska potencialna energija na svoji minimalni vrednosti. Sklepamo lahko, da pozitivno delo, ki ga gravitacijska sila opravi na predmetu, zmanjša gravitacijsko potencialno energijo predmeta. Gravitacijska potencialna energija se ne izgublja, temveč se pretvori v kinetično energijo, kar se kaže v naraščajoči hitrosti telesa, ko se premika navzdol.
Slika na desni prikazuje pozitivni naboj.f je blizu pozitivno nabite plošče. Ko je blizu pozitivno nabite plošče, je električna potencialna energija naboja največja. Prisotnost električnega polja med ploščama povzroči, da naboj pospeši električna sila iz pozitivno nabita plošča na negativno nabito ploščo. Kdaj tovor se premakne v desno, električna sila tudi v isti smeri kot Premik naboja je v desno, tako da električna sila opravlja pozitivno delo. Med premikanjem na desni se kinetična energija naboja poveča, medtem ko se električna potencialna energija zmanjša. Ko se približa negativno nabiti plošči, je električna potencialna energija naboja minimalna. Sklepamo lahko, da je pozitivno delo, ki ga opravi električna sila na tovor, kar zmanjša električno potencialno energijo naboja. Sravno nasprotno, jika pozitivni naboj se vrne v prvotni položaj potem je smer prenosa naboja v levo, nasprotna smeri električna sila v desnonKer električna sila deluje v nasprotni smeri, opravlja negativno delo na pozitivnem naboju. Ko se premika v levo, se električna potencialna energija povečuje. Zato lahko sklepamo, da negativno delo, ki ga opravi električna sila na naboj, poveča električno potencialno energijo naboja.
Negativni naboj v homogenem električnem polju
Za razliko od pozitivnih nabojev imajo negativni naboji največjo električno potencialno energijo, ko so blizu negativno nabite plošče, in najmanjšo električno potencialno energijo, ko so blizu pozitivno nabite plošče. Električni naboji se naravno premikajo od visokega k nizkemu potencialu, zato se tudi negativni naboji premikajo z negativno nabite plošče na pozitivno nabito ploščo. Smer gibanja negativnega naboja je v levo, medtem ko je smer električne sile v desno, zato električna sila opravlja negativno delo. Pri premikanju v levo se električna potencialna energija negativnega naboja zmanjša in doseže minimalno vrednost, ko negativni naboj doseže pozitivno nabito ploščo. Sklepamo lahko, da negativno delo, ki ga opravi električna sila, zmanjša električno potencialno energijo negativnega naboja. Električna potencialna energija se ne izgubi, temveč se pretvori v kinetično energijo, kar se kaže v naraščajoči hitrosti naboja pri premikanju proti pozitivno nabiti plošči.
Električna potencialna energija v homogenem električnem polju
Električna potencialna energija naboja, ko je v določenem položaju, ni znana. Če pa se naboj premakne z enega mesta na drugo, je mogoče določiti spremembo njegove električne potencialne energije. Zato je pomembna sprememba potencialne energije (ΔEP).
Za primerjavo, ko mango leži na steblu, ima gravitacijsko potencialno energijo, vendar njene vrednosti ni mogoče poznati. Če mango pospeši proti tlom sila gravitacije, lahko zmanjšanje gravitacijske potencialne energije manga določimo z izračuni po formuli W = Δ EP = mgh, kjer je m = masa, g = gravitacijski pospešek, h pa je razdalja med steblom manga in površino tal.
Prav tako lahko spremembo električne potencialne energije naboja poznamo, ko naboj pospešuje električna sila iz ene točke v drugo. Kot je bilo že pojasnjeno, če se pozitivni naboj premakne s pozitivno nabite plošče na negativno nabito ploščo, se zmanjšanje električne potencialne energije naboja izračuna po formuli W = ΔEP = q E s, kjer je q = električni naboj, E = električno polje in s je razdalja med ploščama ali razdalja med enim in drugim mestom. Prav tako, če se negativni naboj premakne z negativno nabite plošče na pozitivno nabito ploščo, se povečanje električne potencialne energije negativnega naboja izračuna po formuli W = ΔEP = q E s.
Električna potencialna energija dveh točkovnih nabojev
Spremembe električne potencialne energije ne občutijo le naboji v homogenem električnem polju, temveč tudi električno polje, ki ga ustvarja en sam električni naboj. Predpostavimo, da obstaja en sam naboj Q, ki ustvarja električno polje, in da je naboj q na razdalji r od naboja Q.
Informacije: k (Coulombova konstanta) = 9 x 109 Nm2/C2, Q = električni naboj, ki ustvarja električno polje, q = električni naboj, ki se premakne v električnem polju, ki ga ustvari naboj Q, s = r = razdalja naboja q od naboja Q.
Če imata oba naboja enak predznak, + ali –, se naboja odbijata oziroma oddaljujeta, tako da je sprememba potencialne energije pozitivna (električna potencialna energija se poveča). To je podobno masnemu predmetu, ki se premika navzgor stran od Zemlje, tako da se njegova višina in gravitacijska potencialna energija povečata. Nasprotno, če imata naboja različna predznaka, se naboja privlačita oziroma se približujeta, tako da je sprememba potencialne energije negativna (električna potencialna energija se zmanjša). To je podobno masnemu predmetu, ki se premika navzdol proti Zemlji, tako da se njegova višina in gravitacijska potencialna energija zmanjšata.
Električna sila je konzervativna sila, zato oblika poti naboja nima vpliva na spremembo električne potencialne energije. Na spremembo električne potencialne energije vplivata začetni in končni položaj naboja.
V naslednji temi bomo pregledali električni potencial , fizikalno količino, ki je tesno povezana z električno potencialno energijo.
