Artikull mbi energjinë potenciale elektrike
Para se të studioni këtë temë, së pari kuptoni punën, forcat konservative, marrëdhënien midis forcave konservative me energjinë potenciale , forcat elektrike dhe fushën elektrike.
Forca elektrike është forcë konservative
Përveç forcës gravitacionale dhe forcës së sustës, një shembull tjetër i forcës konservative është forca elektrike. Për të kuptuar më mirë pse forca elektrike quhet forcë konservative, kuptoni 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. Shigjeta midis dy pllakave është vija e fushës elektrike që dalin nga ngarkesa pozitive drejt ngarkesës negative. Një ngarkesë pozitive është pranë një pllake të ngarkuar elektrikisht pozitivisht.
Prania e fushës elektrike bën që ngarkesa pozitive të përjetojë forcën elektrike në drejtim të fushës elektrike në mënyrë që ngarkesa pozitive të përshpejtohet në të djathtë drejt pllakës së ngarkuar negativisht. Drejtimi i forcës elektrike në të djathtë, në drejtim të lëvizjes së ngarkesës, në mënyrë që forca elektrike të bëjë një punë pozitive mbi ngarkesën. Matematikisht, puna e ushtruar nga forca elektrike në ngarkesën pozitive është W = F d = q E d, ku W = puna, F = forca elektrike, d = distanca midis dy pllakave, q = ngarkesa pozitive, E = fusha elektrike.
Pasi të arrijë pranë pllakës së ngarkuar negativisht, nëse ngarkesa pozitive duhet të kthehet në pozicionin e saj origjinal pranë pllakës së ngarkuar negativisht, kërkohet një forcë e jashtme. Kur ngarkesa pozitive zhvendoset majtas drejt pllakës së ngarkuar pozitivisht, forca elektrike mbetet e drejtuar djathtas në mënyrë që forca elektrike të bëjë një punë negative mbi ngarkesën. Matematikisht, puna e ushtruar nga forca elektrike në ngarkesën pozitive është W = – F d = – q E d.
Puna totale e kryer nga forca elektrike mbi ngarkesën pozitive, kur ngarkesa lëviz djathtas, pastaj lëviz përsëri majtas në pozicionin e saj origjinal, është W = q E d – q E d = 0. Nëse puna neto kryhet nga forca mbi objektin, kur objekti largohet nga pozicioni i tij origjinal dhe pastaj kthehet në pozicionin e tij origjinal, 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 forcat konservative lidhet me ndryshimet në energjinë potenciale. Për shembull, puna e kryer nga forca gravitacionale mbi një objekt në masë ndryshon energjinë potenciale gravitacionale të objektit në masë. Po kështu, puna e kryer nga forca elektrike në një ngarkesë elektrike ndryshon energjinë potenciale elektrike të ngarkesës.
Ngarkesa pozitive në fushën elektrike homogjene
Dy imazhet më poshtë ilustrojnë shembuj të punës së kryer nga forcat konservative që shkaktojnë ndryshime në energjinë potenciale. Shpjegimi i punës së kryer nga forca e gravitetit dhe ndryshimet në energjinë potenciale gravitacionale përdoret si krahasim,
për të lehtësuar kuptimin e punës së kryer nga forca elektrike dhe ndryshimet në energjinë potenciale elektrike.
Imazhi në të majtë tregon një objekt që bie lirisht drejt sipërfaqes së tokës. Kur janë në krye, objektet kanë energjinë maksimale potenciale gravitacionale. Kur lëvizin poshtë, forca gravitacionale vepron mbi objektin. Drejtimi i forcës gravitacionale është i njëjtë me drejtimin e lëvizjes së objektit që është poshtë, kështu që forca gravitacionale kryen punë pozitive. Kur përshpejtohet poshtë, lartësia e objektit zvogëlohet në mënyrë që energjia potenciale gravitacionale e objektit të zvogëlohet. Kur mbërrin në tokë, energjia potenciale gravitacionale është minimale. Mund të konkludohet se puna pozitive e bërë nga forca gravitacionale mbi objektin zvogëlon energjinë potenciale gravitacionale të objektit. Energjia potenciale gravitacionale nuk humbet, por ndryshon në energji kinetike, e cila tregohet nga rritja e shpejtësisë së objektit kur ai lëviz poshtë.
Figura në të djathtë tregon ngarkesën pozitive pranë pllakës së ngarkuar pozitivisht. Kur është pranë një pllake të ngarkuar pozitivisht, energjia potenciale elektrike ka vlerën maksimale. Prania e një fushe elektrike midis dy pllakave bën që ngarkesa të përshpejtohet nga forca elektrike nga pllaka e ngarkuar pozitivisht në pllakën e ngarkuar negativisht. Kur ngarkesa lëviz në të djathtë, forca elektrike është gjithashtu në drejtim të zhvendosjes së ngarkesës në të djathtë, kështu që forca elektrike bën punë pozitive. Gjatë lëvizjes në të djathtë, energjia kinetike e ngarkesës rritet ndërsa energjia potenciale elektrike zvogëlohet.
Me mbërritjen pranë pllakës me një ngarkesë negative, energjia elektrike potenciale ka vlerën minimale. Mund të konkludohet se puna pozitive e bërë nga forca elektrike mbi ngarkesën zvogëlon energjinë potenciale elektrike të ngarkesës. Anasjelltas, nëse ngarkesa pozitive zhvendoset përsëri në pozicionin e saj origjinal, atëherë drejtimi i ngarkesës ndryshon majtas, në të kundërt të drejtimit të forcës elektrike në të djathtë. Për shkak të drejtimit të kundërt, forca elektrike ushtron një punë negative mbi ngarkesën pozitive. Kur lëviz majtas, energjia potenciale elektrike rritet. Kështu, mund të konkludohet se puna negative e bërë nga forca elektrike mbi ngarkesën rrit energjinë potenciale elektrike të ngarkesës.
Ngarkesë negative në fushën elektrike homogjene
Ndryshe nga ngarkesa pozitive, ngarkesa negative ka energjinë maksimale potenciale elektrike kur është pranë pllakës së ngarkuar negativisht dhe energjinë minimale potenciale elektrike kur është pranë pllakës së ngarkuar pozitivisht. Natyrisht, ngarkesa elektrike lëviz nga potenciali i lartë në potencialin e ulët, kështu që ngarkesa negative lëviz gjithashtu nga pllaka e ngarkuar negativisht në pllakën e ngarkuar pozitivisht. Drejtimi i zhvendosjes së ngarkesës negative është majtas, ndërsa drejtimi i forcës elektrike është djathtas në mënyrë që forca elektrike të bëjë 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 e cila karakterizohet nga rritja e shpejtësisë së ngarkesës kur lëviz drejt pllakës së ngarkuar pozitivisht.
Energjia potenciale elektrike në fushën elektrike homogjene
Energjia potenciale elektrike e një ngarkese kur ngarkesa është në një pozicion të caktuar, vlera e saj nuk mund të dihet. Por nëse ngarkesa lëviz nga një vend në tjetrin, mund të llogaritet ndryshimi i energjisë potenciale elektrike të ngarkesës. Pra, ajo që ka kuptim është ndryshimi në energjinë potenciale. Ndryshimet në energjinë potenciale elektrike (ΔEP) mund të dihen kur ngarkesa pozitive lëviz nga potenciali i lartë (pllaka e ngarkuar pozitivisht) në potencialin e ulët (pllaka e ngarkuar negativisht).
Për krahasim, kur mango është mbi kërcellin e saj, mango ka energji potenciale gravitacionale, por vlera e saj nuk mund të dihet. Nëse fruti i mangos përshpejtohet drejt tokës nga forca gravitacionale, ndryshimi i energjisë potenciale gravitacionale të mangos mund të dihet përmes llogaritjes duke përdorur formulën W = ΔEP = mgh,
ku m = masa, g = nxitimi gravitacional, h = distanca midis mangos dhe sipërfaqes së tokës.
Po kështu, ndryshimet e energjisë potenciale elektrike të një ngarkese mund të njihen kur forca elektrike përshpejton ngarkesën nga një pikë në tjetrën. Siç është shpjeguar më parë, nëse ngarkesa pozitive lëviz nga pllaka e ngarkuar pozitivisht në pllakën e ngarkuar negativisht,
Ndryshimi i energjisë potenciale elektrike llogaritet duke përdorur formulën W = ΔEP = q E d, ku q = ngarkesa elektrike, E = fusha elektrike dhe d = distanca midis një vendi dhe një vendi tjetër. Po kështu, nëse ngarkesa negative lëviz nga pllaka e ngarkuar negativisht në pllakën e ngarkuar pozitivisht, rritja e energjisë potenciale elektrike të ngarkesës negative llogaritet duke përdorur formulën W = ΔEP = q E d.
Energjia potenciale elektrike e dy ngarkesave pikësore
Ndryshimet në energjinë potenciale elektrike nuk përjetohen vetëm nga ngarkesa në një fushë elektrike homogjene, por edhe nga fusha elektrike e prodhuar nga ngarkesa e vetme elektrike. Supozoni se ekziston një ngarkesë e vetme Q e cila prodhon një fushë elektrike dhe një ngarkesë q ka një distancë prej r nga ngarkesa Q.
Q = ngarkesë elektrike që shkakton një fushë elektrike
q = ngarkesa elektrike që zhvendoset në fushën elektrike të prodhuar nga ngarkesa Q
d = 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 qëndrojnë larg njëra-tjetrës në mënyrë që ndryshimet në energjinë potenciale të jenë pozitive (energjia potenciale elektrike rritet). Kjo është si një objekt masiv që lëviz lart larg tokës në mënyrë që lartësia e tij dhe energjia potenciale gravitacionale të rriten. Anasjelltas, nëse shenja e të dy ngarkesave nuk është e njëjtë, të dy ngarkesat tërheqin njëra-tjetrën ose i afrohen njëra-tjetrës në mënyrë që ndryshimi në energjinë potenciale të jetë negativ (energjia potenciale elektrike zvogëlohet). Kjo është si një objekt masiv që lëviz poshtë duke iu afruar sipërfaqes së tokës në mënyrë që lartësia e tij dhe energjia potenciale gravitacionale të zvogëlohen.
Forca elektrike është një forcë konservative, prandaj forma e rrugës së ngarkesës nuk ndikon në ndryshimet në energjinë potenciale elektrike. Ajo që ndikon në vlerën e ndryshimeve në energjinë potenciale elektrike është pozicioni fillestar dhe pozicioni përfundimtar i ngarkesës.
Në temën tjetër do të studiohet potenciali elektrik, madhësi fizike që janë të lidhura fort me energjinë potenciale elektrike.
