Para se të studioni këtë temë, së pari kuptoni materialin mbi fizikën , forcat konservative , ngarkesën elektrike , ligjin e Kulonit dhe fushat elektrike.
Forca elektrike është një forcë konservative
Përveç forcës gravitacionale dhe forcës së sustës, një shembull tjetër i një force konservative është forca elektrike. Për të kuptuar më mirë pse forca elektrike quhet forcë konservative, lexoni shpjegimin e mëposhtëm.
Supozoni se ka dy pllaka të ngarkuara elektrikisht siç tregohet në figurë, pllaka e majtë është e ngarkuar pozitivisht dhe pllaka e djathtë është e ngarkuar negativisht.n negativ. Shigjeta midis të dyja pllakat janë linjat e fushës elektrike yang nga një ngarkesë pozitive drejt një ngarkese negative. Një ngarkesë pozitive është pranë një pllake të ngarkuar pozitivisht.
Prania e një fushe elektrike bën që një ngarkesë pozitive të përjetojë një forcë elektrike në të njëjtin drejtim me fushën elektrike, në mënyrë që ngarkesa pozitive të përshpejtohet në të djathtë drejt pllakës së ngarkuar negativisht. Drejtimi i forcës elektrike është në të djathtë, në të njëjtin drejtim me drejtimin e lëvizjes së ngarkesës, në mënyrë që forca elektrike të kryejë punë pozitive mbi ngarkesën. Matematikisht, puna e kryer nga forca elektrike mbi një ngarkesë pozitive është W = F s = q E s, ku W = puna, F = forca elektrike, s = distanca midis dy pllakave, q = ngarkesa pozitive, E = fusha elektrike.
Pasi të keni mbërritur pranë pllakës së ngarkuar negativisht, nëse ngarkesë pozitive dua tëkembalimund të jetë në pozicionin e saj origjinal afër pllakë e ngarkuar pozitivisht atëherë stili juaj është i nevojshëmar Kur ngarkesa është pozitive zhvendosur në të majtë drejt pllakës së ngarkuar pozitivisht, forca elektrike mbetet e drejtuar djathtas në mënyrë që forca elektrike të kryejë punë negative mbi ngarkesën. Matematikisht, puna e kryer nga forca elektrike mbi një ngarkesë pozitive është W = – F s = – q E s.
Puna totale e kryer nga forca elektrike mbi një ngarkesë pozitive, kur ngarkesa lëviz djathtas dhe pastaj lëviz përsëri majtas në pozicionin e saj origjinal, është W = q E s – q E s = 0. Nëse puna totale e kryer nga një forcë mbi një objekt, kur objekti largohet nga pozicioni i tij origjinal dhe pastaj kthehet në pozicionin e tij origjinal, është e barabartë me zero, atëherë forca është një forcë konservative. Bazuar në shpjegimin e mësipërm, mund të konkludohet se forca elektrike është një forcë konservative.
Forca elektrike dhe energjia potenciale elektrike
Puna e kryer nga një forcë konservative lidhet me ndryshimin në energjinë potenciale. Për shembull, puna e kryer nga forca gravitacionale mbi një masë ndryshon energjinë potenciale gravitacionale të masës. Në mënyrë të ngjashme, puna e kryer nga një forcë elektrike mbi një ngarkesë elektrike ndryshon energjinë potenciale elektrike të ngarkesës.
Ngarkesë pozitive në një fushë elektrike homogjene
Dy figurat më poshtë ilustrojnë shembuj të punës së kryer nga një forcë konservative që shkakton një ndryshim në energjinë potenciale. Shpjegimet e punës së kryer nga forca gravitacionale dhe ndryshimit në energjinë potenciale gravitacionale përdoren si krahasim për të lehtësuar kuptimin e punës së kryer nga forca elektrike dhe ndryshimit në energjinë potenciale elektrike.
Imazhi në të majtë tregon një objekt që bie. falas drejt sipërfaqes së tokës. Kur është në një lartësi, një objekt ka energjinë potenciale gravitacionale maksimale. Kur një objekt lëviz poshtë, forca e gravitetit vepron mbi të. Drejtimi i forcës gravitacionale është i njëjtë me drejtimin e zhvendosjes së objektit, domethënë poshtë, kështu që forca gravitacionale kryen punë pozitive. Kur një objekt përshpejtohet poshtë, lartësia e tij zvogëlohet, duke zvogëluar kështu energjinë e tij potenciale gravitacionale. Kur është gati të arrijë tokën, energjia potenciale gravitacionale është në vlerën e saj minimale. Mund të konkludohet se puna pozitive e bërë nga forca gravitacionale mbi një objekt zvogëlon energjinë potenciale gravitacionale të objektit. Energjia potenciale gravitacionale nuk humbet, por shndërrohet në energji kinetike, e cila tregohet nga shpejtësia në rritje e objektit kur lëviz poshtë.
Imazhi në të djathtë tregon një ngarkesë pozitive.f është pranë një pllake të ngarkuar pozitivisht. Kur është pranë një pllake të ngarkuar pozitivisht, energjia potenciale elektrike e ngarkesës është në maksimum. Prania e një fushe elektrike midis dy pllakave bën që ngarkesa të përshpejtohet nga forca elektrike nga pllakë e ngarkuar pozitivisht në pllakë të ngarkuar negativisht. Kur ngarkesa lëviz në të djathtë, forcë elektrike gjithashtu në të njëjtin drejtim si Zhvendosja e ngarkesës është në të djathtë, kështu që forca elektrike kryen punë pozitive. Ndërsa lëviz në të djathtë, energjia kinetike e ngarkesës rritet ndërsa energjia potenciale elektrike zvogëlohet. Kur arrin pranë pllakës së ngarkuar negativisht, energjia potenciale elektrike e ngarkesës është në vlerën e saj minimale. Mund të konkludohet se puna pozitive e ushtruar nga forca elektrike mbi ngarkesë, duke zvogëluar energjinë potenciale elektrike të ngarkesës. Spërkundrazi, jika Ngarkesa pozitive kthehet në pozicionin e saj origjinal atëherë drejtimi i transferimit të ngarkesës është majtas, i kundërt me drejtimin forcë elektrike në të djathtënMeqenëse forca elektrike është në drejtim të kundërt, ajo kryen punë negative mbi ngarkesën pozitive. Ndërsa lëviz majtas, energjia potenciale elektrike rritet. Prandaj, mund të konkludohet se puna negative e kryer nga forca elektrike mbi ngarkesën rrit energjinë potenciale elektrike të ngarkesës.
Ngarkesë negative në një fushë elektrike homogjene
Ndryshe nga ngarkesat pozitive, ngarkesat negative kanë energji potenciale elektrike maksimale kur janë pranë një pllake të ngarkuar negativisht dhe energji potenciale elektrike minimale kur janë pranë një pllake të ngarkuar pozitivisht. Natyrisht, ngarkesat elektrike lëvizin natyrshëm nga potenciali i lartë në potencialin e ulët, kështu që ngarkesat negative lëvizin gjithashtu nga një pllakë e ngarkuar negativisht në një pllakë të ngarkuar pozitivisht. Drejtimi i lëvizjes së ngarkesës negative është majtas, ndërsa drejtimi i forcës elektrike është djathtas, kështu që forca elektrike kryen punë negative. Kur lëviz majtas, energjia potenciale elektrike e ngarkesës negative zvogëlohet dhe ka një vlerë minimale kur ngarkesa negative arrin pranë pllakës së ngarkuar pozitivisht. Mund të konkludohet se puna negative e bërë nga forca elektrike zvogëlon energjinë potenciale elektrike të ngarkesës negative. Energjia potenciale elektrike nuk humbet, por shndërrohet në energji kinetike, gjë që tregohet nga shpejtësia në rritje e ngarkesës kur lëviz drejt pllakës së ngarkuar pozitivisht.
Energjia potenciale elektrike në një fushë elektrike homogjene
Energjia potenciale elektrike e një ngarkese kur është në një pozicion të caktuar është e panjohur. Megjithatë, nëse ngarkesa lëviz nga një vendndodhje në tjetrën, ndryshimi në energjinë e saj potenciale elektrike mund të përcaktohet. Prandaj, ajo që ka rëndësi është ndryshimi në energjinë potenciale (ΔEP).
Për krahasim, kur një mango është mbi kërcellin e saj, ajo ka energji potenciale gravitacionale, por vlera e saj nuk mund të dihet. Nëse mango përshpejtohet drejt tokës nga forca e gravitetit, zvogëlimi i energjisë potenciale gravitacionale të mangos mund të përcaktohet përmes llogaritjeve duke përdorur formulën W = Δ EP = mgh, ku m = masa, g = nxitimi gravitacional, h është distanca midis kërcellit të mangos dhe sipërfaqes së tokës.
Po kështu, ndryshimi në energjinë potenciale elektrike të një ngarkese mund të njihet kur ngarkesa përshpejtohet nga një forcë elektrike nga një pikë në tjetrën. Siç u shpjegua më parë, nëse një ngarkesë pozitive lëviz nga një pllakë e ngarkuar pozitivisht në një pllakë të ngarkuar negativisht, ulja e energjisë potenciale elektrike të ngarkesës llogaritet duke përdorur formulën W = Δ EP = q E s, ku q = ngarkesa elektrike, E = fusha elektrike dhe s është distanca midis dy pllakave ose distanca midis një vendi dhe një tjetri. Po kështu, nëse një ngarkesë negative lëviz nga një pllakë e ngarkuar negativisht në një pllakë të ngarkuar pozitivisht, rritja e energjisë potenciale elektrike të ngarkesës negative llogaritet duke përdorur formulën W = ΔEP = q E s.
Energjia potenciale elektrike e dy ngarkesave pikësore
Ndryshimet në energjinë potenciale elektrike nuk përjetohen vetëm nga ngarkesat në një fushë elektrike homogjene, por edhe në fushën elektrike të prodhuar nga një ngarkesë e vetme elektrike. Supozoni se ekziston një ngarkesë e vetme Q që prodhon një fushë elektrike dhe ngarkesa q është në një distancë r nga ngarkesa Q.
Informacion: k (konstantja e Kulombit) = 9 x 109 Nm2/C2, Q = ngarkesa elektrike që krijon një fushë elektrike, q = ngarkesa elektrike që përjeton zhvendosje në fushën elektrike të gjeneruar nga ngarkesa Q, s = r = distanca e ngarkesës q nga ngarkesa Q.
Nëse të dy ngarkesat kanë të njëjtën shenjë, + ose – , atëherë të dy ngarkesat shtyjnë njëra-tjetrën ose largohen nga njëra-tjetra në mënyrë që ndryshimi në energjinë potenciale të jetë pozitiv (energjia potenciale elektrike rritet). Kjo është e ngjashme me një objekt masiv që lëviz lart larg tokës në mënyrë që lartësia dhe energjia e tij potenciale gravitacionale të rriten. Anasjelltas, nëse dy ngarkesat kanë shenja të ndryshme, të dy ngarkesat tërheqin njëra-tjetrën ose lëvizin më afër njëra-tjetrës në mënyrë që ndryshimi në energjinë potenciale të jetë negativ (energjia potenciale elektrike zvogëlohet). Kjo është e ngjashme me një objekt masiv që lëviz poshtë drejt tokës në mënyrë që lartësia dhe energjia e tij potenciale gravitacionale të ulen.
Forca elektrike është një forcë konservative, kështu që forma e trajektores së ngarkesës nuk ka efekt në ndryshimin e energjisë potenciale elektrike. Ajo që ndikon në ndryshimin e energjisë potenciale elektrike janë pozicionet fillestare dhe përfundimtare të ngarkesës.
Në temën tjetër, do të shqyrtojmë potencialin elektrik , një madhësi fizike që është e lidhur ngushtë me energjinë potenciale elektrike.
