Kabla ya kujifunza mada hii, kwanza elewa mater hakuna hajafizikia, mtindo wa kihafidhina, chaji ya umeme, Sheria ya Coulomb kutoka uwanja wa umeme.
Nguvu ya umeme ni nguvu ya kihafidhina
Mbali na nguvu ya uvutano na nguvu ya chemchemi, mfano mwingine wa nguvu ya kihafidhina ni nguvu ya umeme. Ili kuelewa vyema kwa nini nguvu ya umeme inaitwa nguvu ya kihafidhina, soma maelezo yafuatayo.
Tuseme kuna sahani mbili za umeme kama inavyoonyeshwa kwenye picha, sahani ya kushoto ina chaji chanya na sahani ya kulia ina chaji hasi.n hasi. Mshale kati ya sahani zote mbili ni mistari ya umeme yang kutokana na chaji chanya kuelekea chaji hasi. Chaji chanya iko karibu na sahani iliyochajiwa chanya.
Uwepo wa uwanja wa umeme husababisha chaji chanyaif hupata nguvu ya umeme katika mwelekeo sawa na uwanja wa umeme, ili chaji chanya iongezeke kasi kulia kuelekea bamba lenye chaji hasi. Mwelekeo wa nguvu ya umeme uko kulia, katika mwelekeo uleule kama mwelekeo wa mwendo chaji, ili nguvu ya umeme ifanye kazi chanya kwenye chaji. Kihisabati, kazi inayofanywa na nguvu ya umeme kwenye chaji chanya ni W = F s = q E s, dambapo W = kazi, F = nguvu ya umeme, s = umbali kati ya sahani mbili, q = chaji chanya, E = uwanja wa umeme.
Baada ya kufika karibu na sahani iliyojaa chaji hasi, ikiwa chaji chanya unatakakurudiinaweza kuwa hadi nafasi yake ya awali karibu sahani iliyochajiwa vyema basi mtindo wako unahitajikani Wakati chaji ni chanya imehamishwa upande wa kushoto kuelekea sahani iliyochajiwa vyema, nguvu ya umeme inabaki ikielekezwa kulia ili nguvu ya umeme ifanye kazi hasi kwenye chaji. Kihisabati, kazi inayofanywa na nguvu ya umeme kwenye chaji chanya ni W = – F s = – q E s.
Ujuhudi zote zilizofanywa na nguvu ya umeme kwa chaji chanya, mzigo unaposogea kulia kisha unasogea tena kushoto hadi mahali pake pa asili ni W = q E s – q E s = 0. Ikiwa kazi yote inayofanywa na nguvu kwenye kitu wakati kitu kinapotoka kutoka kwenye nafasi yake ya awali na kisha kurudi kwenye nafasi yake ya awali ni sawa na sifuri, basi nguvu hiyo ni nguvu ya kihafidhina. Kulingana na maelezo hapo juu, inaweza kuhitimishwa kwamba nguvu ya umeme ni nguvu ya kihafidhina.
Nguvu ya umeme na nishati inayowezekana ya umeme
Kazi inayofanywa na nguvu ya kihafidhina inahusiana na mabadiliko katika nishati inayowezekana. Kwa mfano, kazi inayofanywa na nguvu ya uvutano kwenye uzito hubadilisha nishati inayowezekana ya uvutano ya uzito. Vile vile, kazi inayofanywa na nguvu ya umeme kwenye chaji ya umeme hubadilisha nishati inayowezekana ya umeme ya chaji.
Chaji chanya katika uwanja wa umeme unaofanana
Takwimu mbili zilizo hapa chini zinaonyesha mifano ya kazi inayofanywa na nguvu ya kihafidhina ambayo husababisha mabadiliko katika nishati inayowezekana. Maelezo ya kazi inayofanywa na nguvu ya uvutano na mabadiliko katika nishati inayowezekana ya uvutano hutumika kama ulinganisho ili kurahisisha uelewa wa kazi inayofanywa na nguvu ya umeme na mabadiliko katika nishati inayowezekana ya umeme.
Picha upande wa kushoto inaonyesha kitu kinachoanguka. bure kuelekea uso wa ardhi. Kikiwa kwenye urefu, kitu kina nguvu ya juu zaidi ya uvutano. Kitu kinaposhuka chini, nguvu ya uvutano hutenda kazi juu yake. Mwelekeo wa nguvu ya uvutano ni sawa na mwelekeo wa kuhama kwa kitu, yaani kushuka chini, kwa hivyo nguvu ya uvutano hufanya kazi chanya. Kitu kinaposhuka kwa kasi, urefu wake hupungua, na hivyo kupunguza nguvu yake ya uvutano. Inapokaribia kufika ardhini, nishati ya uvutano huwa katika thamani yake ya chini kabisa. Inaweza kuhitimishwa kwamba kazi chanya inayofanywa na nguvu ya uvutano kwenye kitu hupunguza nishati ya uvutano ya kitu hicho. Nishati ya uwezo wa uvutano haipotei bali hubadilishwa kuwa nishati ya kinetiki, ambayo huonyeshwa na kasi inayoongezeka ya kitu kinaposogea chini.
Picha iliyo upande wa kulia inaonyesha chaji chanya.f iko karibu na sahani iliyochajiwa vyema. Inapokuwa karibu na sahani iliyochajiwa vyema, nishati ya umeme inayowezekana ya chaji huwa katika kiwango cha juu zaidi. Uwepo wa uwanja wa umeme kati ya sahani hizo mbili husababisha chaji kuharakishwa na nguvu ya umeme kutoka sahani iliyochajiwa vyema hadi sahani iliyochajiwa vibaya. mzigo unaelekea kulia, nguvu ya umeme pia katika mwelekeo sawa na Uhamishaji wa chaji uko upande wa kulia, ili nguvu ya umeme ifanye kazi chanya. Wakati wa kuhama upande wa kulia, nishati ya kinetiki ya chaji huongezeka huku nishati ya uwezo wa umeme ikipungua. Inapofika karibu na sahani iliyochajiwa vibaya, nishati ya umeme inayoweza kutokea ya chaji huwa katika thamani yake ya chini kabisa. Inaweza kuhitimishwa kwamba kazi chanya iliyofanywa na nguvu ya umeme kwenye mizigo, kupunguza nishati ya umeme inayoweza kutokea kwenye chaji. Skinyume chake, kama chaji chanya hurejeshwa kwenye nafasi yake ya awali kisha mwelekeo wa uhamisho wa chaji uko upande wa kushoto, kinyume na mwelekeo nguvu ya umeme upande wa kulianKwa sababu nguvu ya umeme hufanya kazi katika pande tofauti, hufanya kazi hasi kwenye chaji chanya. Inaposogea kushoto, nishati ya uwezo wa umeme huongezeka. Kwa hivyo, inaweza kuhitimishwa kuwa kazi hasi inayofanywa na nguvu ya umeme kwenye chaji huongeza nishati ya uwezo wa umeme ya chaji.
Chaji hasi katika uwanja wa umeme unaofanana
Tofauti na chaji chanya, chaji hasi zina nishati ya juu zaidi ya umeme inapokuwa karibu na sahani iliyochajiwa vibaya na nishati ya chini kabisa ya umeme inapokuwa karibu na sahani iliyochajiwa vyema. Kwa kawaida, chaji za umeme huhama kutoka kwa uwezo mkubwa hadi uwezo mdogo, kwa hivyo chaji hasi pia huhama kutoka kwa sahani iliyochajiwa vibaya hadi sahani iliyochajiwa vyema. Mwelekeo wa mwendo wa chaji hasi uko kushoto, huku mwelekeo wa nguvu ya umeme uko kulia, kwa hivyo nguvu ya umeme hufanya kazi hasi. Wakati wa kusonga kushoto, nishati ya uwezo wa umeme ya chaji hasi hupungua na huwa na thamani ya chini kabisa wakati chaji hasi inapofika karibu na sahani iliyochajiwa vyema. Inaweza kuhitimishwa kuwa kazi hasi inayofanywa na nguvu ya umeme hupunguza nishati ya uwezo wa umeme ya chaji hasi. Nishati ya uwezo wa umeme haipotei bali hubadilishwa kuwa nishati ya kinetiki, ambayo inaonyeshwa na kasi inayoongezeka ya chaji wakati wa kusonga kuelekea sahani iliyochajiwa vyema.
Nishati inayowezekana ya umeme katika uwanja wa umeme unaofanana
Nishati ya uwezo wa umeme ya chaji inapokuwa katika nafasi fulani haijulikani. Hata hivyo, ikiwa chaji inahama kutoka eneo moja hadi jingine, mabadiliko katika nishati yake ya uwezo wa umeme yanaweza kubainika. Kwa hivyo, kinachohitajika ni mabadiliko katika nishati ya uwezo (ΔEP).
Kwa kulinganisha, embe linapokuwa kwenye shina lake, embe lina uwezo wa kutoa nishati. mvuto lakini thamani yake haiwezi kujulikana. Ikiwa embe linaharakishwa kuelekea ardhini kwa nguvu ya mvuto, basi kupungua Nishati ya uvutano ya tunda la maembe inaweza kuamuliwa kwa kukokotoa kwa kutumia fomula W = ΔEP = mgh, ambapo m = uzito, g = kasi kutokana na mvuto, h ni umbali kati ya shina la embe na uso wa ardhi.
Vile vile, mabadiliko katika nishati ya uwezo wa umeme ya chaji yanaweza kujulikana wakati chaji inapoharakishwa na nguvu ya umeme kutoka sehemu moja hadi nyingine. Kama ilivyoelezwa hapo awali, ikiwa chaji chanya inahama kutoka kwa sahani iliyochajiwa chanya hadi kisha sahani hiyo itakuwa na chaji hasi kupungua Nishati ya umeme inayowezekana ya chaji huhesabiwa kwa kutumia fomula W = ΔEP = q E s, ambapo q = chaji ya umeme, E = uwanja wa umeme na s ni umbali kati ya sahani mbili au umbali kati ya sehemu moja na nyingine. Vile vile, ikiwa chaji hasi inahama kutoka sahani iliyochajiwa vibaya hadi sahani iliyochajiwa vyema basi ongezeko Nishati ya umeme inayowezekana ya chaji hasi huhesabiwa kwa kutumia fomula W = ΔEP = q Es.
Nishati ya umeme inayowezekana ya chaji za nukta mbili
Mabadiliko katika nishati ya uwezo wa umeme hayapatikani tu na chaji katika uwanja wa umeme unaofanana, lakini pia katika uwanja wa umeme unaozalishwa na chaji moja ya umeme. Tuseme kuna chaji moja Q inayozalisha uwanja wa umeme na chaji q iko umbali wa r kutoka kwa chaji Q.
Taarifa: k (kigezo cha Coulomb) = 9 x 109 Nm2/C2, Q = chaji ya umeme inayounda uwanja wa umeme, q = chaji ya umeme inayopata mabadiliko katika uwanja wa umeme unaotokana na chaji Q, s = r = umbali wa chaji q kutoka chaji Q.
Ikiwa chaji zote mbili zina ishara moja, + au – , basi chaji hizo mbili zinarudishana nyuma au zinaondokana ili mabadiliko ya nishati inayowezekana yawe chanya (nishati inayowezekana ya umeme huongezeka). Hii ni sawa na kitu chenye uzito kinachosogea juu kutoka duniani ili urefu wake na nishati inayowezekana ya mvuto huongezeka. Kinyume chake, ikiwa chaji hizo mbili zina ishara tofauti, chaji hizo mbili huvutiana au kusogea karibu zaidi ili mabadiliko ya nishati inayowezekana yawe hasi (nishati inayowezekana ya umeme hupungua). Hii ni sawa na kitu chenye uzito kinachosogea chini kuelekea duniani ili urefu wake na nishati inayowezekana ya mvuto hupungua.
Nguvu ya umeme ni nguvu ya kihafidhina, kwa hivyo umbo la njia ya chaji halina athari yoyote kwenye mabadiliko ya nishati ya uwezo wa umeme. Kinachoathiri mabadiliko ya nishati ya uwezo wa umeme ni nafasi za awali na za mwisho za chaji.
Katika mada inayofuata itapitiwa upya uwezo wa umeme, kiasi halisi ambacho kina uhusiano wa karibu na nishati inayowezekana ya umeme.
