Innan du studerar detta ämne, förstå först materialet om fysik , konservativa krafter , elektrisk laddning , Coulombs lag och elektriska fält.
Elektrisk kraft är en konservativ kraft
Förutom gravitationskraft och fjäderkraft är ett annat exempel på en konservativ kraft den elektriska kraften. För att bättre förstå varför den elektriska kraften kallas en konservativ kraft, läs följande förklaring.
Antag att det finns två elektriskt laddade plattor som visas på bilden, den vänstra plattan är positivt laddad och den högra plattan är negativt laddad.n negativ. Pilen mellan båda plattorna är elektriska fältlinjer Yang från en positiv laddning mot en negativ laddning. En positiv laddning är nära en positivt laddad platta.
Närvaron av ett elektriskt fält gör att en positiv laddning upplever en elektrisk kraft i samma riktning som det elektriska fältet, så att den positiva laddningen accelereras åt höger mot den negativt laddade plattan. Den elektriska kraftens riktning är åt höger, i samma riktning som laddningens rörelseriktning , så att den elektriska kraften utför positivt arbete på laddningen. Matematiskt sett är det arbete som den elektriska kraften utför på en positiv laddning W = F s = q E s, där W = arbete, F = elektrisk kraft, s = avståndet mellan de två plattorna, q = positiv laddning, E = elektriskt fält.
Efter att ha anlänt nära den negativt laddade plattan, om positiv laddning villkembaliKan till sin ursprungliga position nära positivt laddad platta då behövs din stilar. När laddningen är positiv rörd till vänster mot den positivt laddade plattan, förblir den elektriska kraften riktad åt höger så att den elektriska kraften utför negativt arbete på laddningen. Matematiskt sett är arbetet som den elektriska kraften utför på en positiv laddning W = – F s = – q E s.
Det totala arbetet som utförs av den elektriska kraften på en positiv laddning, när laddningen rör sig åt höger och sedan rör sig igen åt vänster till sitt ursprungliga läge, är W = q E s – q E s = 0. Om det totala arbetet som utförs av en kraft på ett föremål, när föremålet rör sig bort från sitt ursprungliga läge och sedan återgår till sitt ursprungliga läge, är lika med noll, då är kraften en konservativ kraft. Baserat på förklaringen ovan kan man dra slutsatsen att den elektriska kraften är en konservativ kraft.
Elektrisk kraft och elektrisk potentiell energi
Arbetet som utförs av en konservativ kraft är relaterat till förändringen i potentiell energi. Till exempel förändrar arbetet som utförs av gravitationskraften på en massa massans gravitationella potentiella energi. På liknande sätt förändrar arbetet som utförs av en elektrisk kraft på en elektrisk laddning laddningens elektriska potentiella energi.
Positiv laddning i ett homogent elektriskt fält
De två figurerna nedan illustrerar exempel på arbete som utförs av en konservativ kraft som orsakar en förändring i potentiell energi. Förklaringarna av arbetet som utförs av gravitationskraften och förändringen i gravitationell potentiell energi används som en jämförelse för att underlätta förståelsen av arbetet som utförs av den elektriska kraften och förändringen i elektrisk potentiell energi.
Bilden till vänster visar ett föremål som faller. bebas mot markytan. När ett objekt är på en höjd har det maximal gravitationell potentiell energi. När ett objekt rör sig nedåt verkar tyngdkraften på det. Gravitationskraftens riktning är densamma som objektets förskjutningsriktning, nämligen nedåt, så gravitationskraften utför positivt arbete. När ett objekt accelererar nedåt minskar dess höjd, vilket minskar dess potentiella gravitationsenergi. När den är på väg att nå marken är den gravitationella potentiella energin vid sitt lägsta värde. Man kan dra slutsatsen att det positiva arbete som gravitationskraften utför på ett objekt minskar objektets gravitationella potentiella energi. Gravitationspotentialenergi går inte förlorad utan omvandlas till kinetisk energi, vilket indikeras av objektets ökande hastighet när det rör sig nedåt.
Bilden till höger visar en positiv laddning.f är nära en positivt laddad platta. När den är nära en positivt laddad platta är laddningens elektriska potentiella energi som högst. Närvaron av ett elektriskt fält mellan de två plattorna gör att laddningen accelereras av den elektriska kraften från positivt laddad platta till negativt laddad platta. När lasten rör sig åt höger, elektrisk kraft också i samma riktning som laddningsförskjutningen är åt höger, så att den elektriska kraften utför positivt arbete. Under förflyttning till höger ökar laddningens kinetiska energi medan den elektriska potentiella energin minskar. När den närmar sig den negativt laddade plattan är laddningens elektriska potentiella energi minst. Man kan dra slutsatsen att det positiva arbete som utförs av den elektriska kraften på muatan, vilket minskar laddningens elektriska potentiella energi. Stvärtom, jika positiv laddning flyttas tillbaka till sin ursprungliga position då är laddningsöverföringens riktning åt vänster, motsatt riktningen elektrisk kraft åt högernEftersom den elektriska kraften verkar i motsatta riktningar utför den negativt arbete på den positiva laddningen. När den rör sig åt vänster ökar den elektriska potentiella energin. Därför kan man dra slutsatsen att det negativa arbete som den elektriska kraften utför på laddningen ökar laddningens elektriska potentiella energi.
Negativ laddning i ett homogent elektriskt fält
Till skillnad från positiva laddningar har negativa laddningar maximal elektrisk potentiell energi när de är nära en negativt laddad platta och minimal elektrisk potentiell energi när de är nära en positivt laddad platta. Elektriska laddningar rör sig naturligt från hög potential till låg potential, så negativa laddningar rör sig också från en negativt laddad platta till en positivt laddad platta. Riktningen för den negativa laddningens rörelse är åt vänster, medan den elektriska kraftens riktning är åt höger, så den elektriska kraften utför negativt arbete. När man rör sig åt vänster minskar den negativa laddningens elektriska potentiella energi och har ett minimivärde när den negativa laddningen kommer nära den positivt laddade plattan. Man kan dra slutsatsen att det negativa arbete som utförs av den elektriska kraften minskar den negativa laddningens elektriska potentiella energi. Den elektriska potentiella energin går inte förlorad utan omvandlas till kinetisk energi, vilket indikeras av laddningens ökande hastighet när den rör sig mot den positivt laddade plattan.
Elektrisk potentiell energi i ett homogent elektriskt fält
Den elektriska potentiella energin hos en laddning när den befinner sig i en viss position är okänd. Men om laddningen rör sig från en plats till en annan kan förändringen i dess elektriska potentiella energi bestämmas. Därför är det som spelar roll förändringen i potentiell energi (ΔEP).
Som jämförelse kan man säga att när en mango står på sin stjälk har den potentiell energi genom gravitation, men dess värde kan inte kännas till. Om mangon accelereras mot marken av gravitationskraften kan minskningen av mangons potentiella energi genom gravitation bestämmas genom beräkningar med formeln W = Δ EP = mgh, där m = massa, g = gravitationsacceleration och h är avståndet mellan mangostjälken och markytan.
På samma sätt kan förändringen i en laddnings elektriska potentiella energi kännas till när laddningen accelereras av en elektrisk kraft från en punkt till en annan. Som förklarats tidigare, om en positiv laddning rör sig från en positivt laddad platta till en negativt laddad platta, beräknas minskningen av laddningens elektriska potentiella energi med hjälp av formeln W = ΔEP = q E s, där q = elektrisk laddning, E = elektriskt fält och s är avståndet mellan de två plattorna eller avståndet mellan en plats och en annan. På samma sätt, om en negativ laddning rör sig från en negativt laddad platta till en positivt laddad platta, beräknas ökningen av den negativa laddningens elektriska potentiella energi med hjälp av formeln W = ΔEP = q E s.
Elektrisk potentiell energi för två punktladdningar
Förändringar i elektrisk potentiell energi upplevs inte bara av laddningar i ett homogent elektriskt fält, utan även i det elektriska fält som produceras av en enda elektrisk laddning. Antag att det finns en enda laddning Q som producerar ett elektriskt fält och laddningen q är på avståndet r från laddningen Q.
Sammanfattning: k (Coulombs konstant) = 9 x 109 nm2/C2, Q = elektrisk laddning som skapar ett elektriskt fält, q = elektrisk laddning som upplever förskjutning i det elektriska fältet som genereras av laddningen Q, s = r = avståndet mellan laddning q och laddning Q.
Om båda laddningarna har samma tecken, + eller –, stöter de två laddningarna bort varandra eller rör sig bort från varandra så att förändringen i potentiell energi är positiv (den elektriska potentiella energin ökar). Detta liknar ett massobjekt som rör sig uppåt bort från jorden så att dess höjd och gravitationella potentiella energi ökar. Omvänt, om de två laddningarna har olika tecken, attraherar de två laddningarna varandra eller rör sig närmare varandra så att förändringen i potentiell energi är negativ (den elektriska potentiella energin minskar). Detta liknar ett massobjekt som rör sig nedåt mot jorden så att dess höjd och gravitationella potentiella energi minskar.
Den elektriska kraften är en konservativ kraft, så formen på laddningens bana har ingen effekt på förändringen i elektrisk potentiell energi. Det som påverkar förändringen i elektrisk potentiell energi är laddningens initiala och slutliga positioner.
I nästa ämne ska vi gå igenom elektrisk potential , en fysikalisk storhet som är nära besläktad med elektrisk potentiell energi.
