நிலை ஆற்றல்

நிலை ஆற்றல் பற்றிய கட்டுரை

இந்தத் தலைப்பைப் பற்றிப் படிப்பதற்கு முன், முதலில் வேலை, நிலைக்காப்பு விசைகள், நிலைக்காப்பு விசைகளுக்கும் நிலை ஆற்றலுக்கும் இடையிலான தொடர்பு , மின் விசைகள் மற்றும் மின்புலம் ஆகியவற்றை நன்கு புரிந்துகொள்ளுங்கள்.

மின் விசை என்பது காப்பு விசை ஆகும்.

புவியீர்ப்பு விசை மற்றும் சுருள் விசைக்குக் கூடுதலாக, நிலைக்காப்பு விசைக்கு மற்றொரு எடுத்துக்காட்டு மின்விசை ஆகும். மின்விசை ஏன் நிலைக்காப்பு விசை என்று அழைக்கப்படுகிறது என்பதை நன்கு புரிந்துகொள்ள, பின்வரும் விளக்கத்தை அறிந்துகொள்ளுங்கள்.

படத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, மின்னூட்டம் பெற்ற இரண்டு தகடுகள் இருப்பதாகக் கொள்வோம். இடது தகடு நேர்மின்னூட்டம் பெற்றதாகவும், வலது தகடு எதிர்மின்னூட்டம் பெற்றதாகவும் உள்ளது. இரு தகடுகளுக்கும் இடையே உள்ள அம்புக்குறியானது, நேர்மின்னூட்டத்திலிருந்து எதிர்மின்னூட்டத்தை நோக்கி வெளிவரும் மின்புலக் கோடுகளாகும். ஒரு நேர்மின்னூட்டம், மின்னூட்டம் பெற்ற ஒரு தகட்டிற்கு அருகில் உள்ளது.

மின்புலத்தின் இருப்பினால், நேர்மின்னூட்டம் மின்புலத்தின் திசையில் மின்விசையை உணர்கிறது. அதனால், அந்த நேர்மின்னூட்டம் எதிர்மின்னூட்டம் பெற்ற தகட்டை நோக்கி வலப்புறமாக முடுக்கப்படுகிறது. மின்விசையின் திசையானது, மின்னூட்டத்தின் இயக்கத்தின் திசையான வலப்புறமாக இருப்பதால், மின்விசையானது அந்த மின்னூட்டத்தின் மீது நேர்மறை வேலையைச் செய்கிறது. கணிதரீதியாக, நேர்மின்னூட்டத்தின் மீது மின்விசையால் செய்யப்படும் வேலை W = F d = q E d ஆகும், இங்கு W = வேலை, F = மின்விசை, d = இரு தகடுகளுக்கு இடையேயான தூரம், q = நேர்மின்னூட்டம், E = மின்புலம்.

எதிர்மின் தகட்டின் அருகே வந்த பிறகு, நேர்மின் சுமையை அதன் அசல் நிலைக்கு, அதாவது எதிர்மின் தகட்டிற்கு அருகில், மீண்டும் கொண்டு வர ஒரு புற விசை தேவைப்படுகிறது. நேர்மின் சுமையை நேர்மின் தகட்டை நோக்கி இடதுபுறமாக நகர்த்தும்போது, ​​மின்விசை வலதுபுறமாகவே செயல்படுகிறது, அதனால் மின்விசை அந்தச் சுமையின் மீது ஒரு எதிர்மறை வேலையைச் செய்கிறது. கணிதரீதியாக, நேர்மின் சுமையின் மீது மின்விசையால் செய்யப்படும் வேலை W = – F d = – q E d ஆகும்.

நேர்மின் சுமை வலப்புறம் நகர்ந்து, பின்னர் மீண்டும் இடப்புறம் நகர்ந்து அதன் அசல் நிலைக்குத் திரும்பும்போது, ​​மின்விசையால் அந்தப் பொருளின் மீது செய்யப்படும் மொத்த வேலை W = q E d – q E d = 0 ஆகும். ஒரு பொருள் அதன் அசல் நிலையிலிருந்து விலகிச் சென்று மீண்டும் அதன் அசல் நிலைக்குத் திரும்பும்போது, ​​விசையால் அந்தப் பொருளின் மீது செய்யப்படும் நிகர வேலை பூஜ்ஜியத்திற்குச் சமமாக இருந்தால், அந்த விசை ஒரு காப்பு விசையாகும். மேற்கண்ட விளக்கத்தின் அடிப்படையில், மின்விசை ஒரு காப்பு விசை என்று முடிவு செய்யலாம்.

மின் விசை மற்றும் மின் நிலை ஆற்றல்

நிலைமாறா விசைகளால் செய்யப்படும் வேலையானது, நிலை ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றங்களுடன் தொடர்புடையது. எடுத்துக்காட்டாக, ஒரு நிறைப்பொருளின் மீது ஈர்ப்பு விசையால் செய்யப்படும் வேலையானது, அப்பொருளின் ஈர்ப்பு நிலை ஆற்றலை மாற்றுகிறது. அதுபோலவே, ஒரு மின்னூட்டத்தின் மீது மின்விசையால் செய்யப்படும் வேலையானது, அந்த மின்னூட்டத்தின் மின் நிலை ஆற்றலை மாற்றுகிறது.

ஒருபடித்தான மின்புலத்தில் உள்ள நேர்மறை மின்னூட்டம்

கீழே உள்ள இரண்டு படங்கள், நிலை ஆற்றலில் மாற்றங்களை ஏற்படுத்தும் காப்பு விசைகளால் செய்யப்படும் வேலையின் எடுத்துக்காட்டுகளை விளக்குகின்றன. ஈர்ப்பு விசையால் செய்யப்படும் வேலை மற்றும் ஈர்ப்பு நிலை ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றங்கள் குறித்த விளக்கம் ஓர் ஒப்பீடாகப் பயன்படுத்தப்பட்டுள்ளது.

மின் விசையால் செய்யப்படும் வேலையையும், நிலை ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றங்களையும் புரிந்துகொள்வதை எளிதாக்குவதற்கு.

இடதுபுறத்தில் உள்ள படம், ஒரு பொருள் தரையின் மேற்பரப்பை நோக்கி தடையின்றி விழுவதைக் காட்டுகிறது. மேலே இருக்கும்போது, ​​பொருள்கள் அதிகபட்ச ஈர்ப்பு நிலை ஆற்றலைக் கொண்டுள்ளன. கீழ்நோக்கி நகரும்போது, ​​ஈர்ப்பு விசை பொருளின் மீது செயல்படுகிறது. ஈர்ப்பு விசையின் திசையானது, பொருள் கீழ்நோக்கி நகரும் திசையைப் போலவே இருப்பதால், ஈர்ப்பு விசை நேர்மறை வேலையைச் செய்கிறது. கீழ்நோக்கி முடுக்கப்படும்போது, ​​பொருளின் உயரம் குறைவதால், பொருளின் ஈர்ப்பு நிலை ஆற்றல் குறைகிறது. தரையை வந்தடையும்போது, ​​ஈர்ப்பு நிலை ஆற்றல் குறைந்தபட்சமாக உள்ளது. ஈர்ப்பு விசையால் பொருளின் மீது செய்யப்படும் நேர்மறை வேலையானது, பொருளின் ஈர்ப்பு நிலை ஆற்றலைக் குறைக்கிறது என்று முடிவு செய்யலாம். ஈர்ப்பு நிலை ஆற்றல் இழக்கப்படுவதில்லை, மாறாக இயக்க ஆற்றலாக மாறுகிறது. இது, பொருள் கீழ்நோக்கி நகரும்போது அதன் வேகம் அதிகரிப்பதன் மூலம் சுட்டிக்காட்டப்படுகிறது.

வலதுபுறத்தில் உள்ள படம், நேர்மின்னூட்டம் பெற்ற தகட்டிற்கு அருகில் உள்ள நேர்மின்னூட்டத்தைக் காட்டுகிறது. ஒரு நேர்மின்னூட்டம் பெற்ற தகட்டிற்கு அருகில் இருக்கும்போது, ​​நிலைமின் ஆற்றல் அதன் பெரும மதிப்பைக் கொண்டுள்ளது. இரண்டு தகடுகளுக்கும் இடையில் ஒரு மின்புலம் இருப்பதால், நேர்மின்னூட்டம் பெற்ற தகட்டிலிருந்து எதிர்மின்னூட்டம் பெற்ற தகட்டிற்கு மின்விசையால் மின்னூட்டம் முடுக்கப்படுகிறது. மின்னூட்டம் வலப்புறம் நகரும்போது, ​​மின்விசையும் மின்னூட்டத்தின் வலப்புற இடப்பெயர்ச்சியின் திசையில் செயல்படுகிறது, அதனால் மின்விசை நேர்மறை வேலையைச் செய்கிறது. வலப்புறம் நகரும்போது, ​​மின்னூட்டத்தின் இயக்க ஆற்றல் அதிகரித்து, நிலைமின் ஆற்றல் குறைகிறது.

எதிர்மின் சுமை கொண்ட ஒரு தகட்டின் அருகே வரும்போது, ​​நிலைமின் ஆற்றல் குறைந்தபட்ச மதிப்பைக் கொண்டுள்ளது. மின்விசையால் அந்தச் சுமையின் மீது செய்யப்படும் நேர்மறை வேலை, அதன் நிலைமின் ஆற்றலைக் குறைக்கிறது என்று இதிலிருந்து முடிவு செய்யலாம். இதற்கு நேர்மாறாக, அந்த நேர்மின் சுமை அதன் அசல் நிலைக்கு மீண்டும் நகர்த்தப்பட்டால், மின்விசையின் வலதுபுறத் திசைக்கு எதிராக, சுமையின் திசை இடதுபுறமாக மாறுகிறது. இந்த எதிர் திசையின் காரணமாக, மின்விசையானது நேர்மின் சுமையின் மீது ஒரு எதிர்மறை வேலையைச் செய்கிறது. இடதுபுறமாக நகரும்போது, ​​நிலைமின் ஆற்றல் அதிகரிக்கிறது. எனவே, மின்விசையால் அந்தச் சுமையின் மீது செய்யப்படும் எதிர்மறை வேலை, அதன் நிலைமின் ஆற்றலை அதிகரிக்கிறது என்று முடிவு செய்யலாம்.

ஒருபடித்தான மின்புலத்தில் எதிர்மறை மின்னூட்டம்

நேர்மின்னூட்டத்தைப் போலல்லாமல், எதிர்மின்னூட்டமானது எதிர்மின்னூட்டம் பெற்ற தகட்டிற்கு அருகில் இருக்கும்போது அதிகபட்ச நிலை ஆற்றலையும், நேர்மின்னூட்டம் பெற்ற தகட்டிற்கு அருகில் இருக்கும்போது குறைந்தபட்ச நிலை ஆற்றலையும் கொண்டுள்ளது. இயல்பாகவே, மின்னூட்டம் உயர் மின்னழுத்தத்திலிருந்து குறைந்த மின்னழுத்தத்திற்கு நகர்கிறது, எனவே எதிர்மின்னூட்டமும் எதிர்மின்னூட்டம் பெற்ற தகட்டிலிருந்து நேர்மின்னூட்டம் பெற்ற தகட்டிற்கு நகர்கிறது. எதிர்மின்னூட்டத்தின் இடப்பெயர்ச்சியின் திசை இடதுபுறமாகவும், மின்விசையின் திசை வலதுபுறமாகவும் இருப்பதால், மின்விசையானது எதிர் வேலையைச் செய்கிறது. இடதுபுறமாக நகரும்போது, ​​எதிர்மின்னூட்டத்தின் நிலை ஆற்றல் குறைந்து, அது நேர்மின்னூட்டம் பெற்ற தகட்டிற்கு அருகில் வரும்போது குறைந்தபட்ச மதிப்பைக் கொண்டுள்ளது. மின்விசையால் செய்யப்படும் எதிர் வேலையானது, எதிர்மின்னூட்டத்தின் நிலை ஆற்றலைக் குறைக்கிறது என்று முடிவு செய்யலாம். நிலை ஆற்றல் இழக்கப்படுவதில்லை, மாறாக அது இயக்க ஆற்றலாக மாறுகிறது. நேர்மின்னூட்டம் பெற்ற தகட்டை நோக்கி நகரும்போது மின்னூட்டத்தின் வேகம் அதிகரிப்பதே இந்த இயக்க ஆற்றலின் பண்பாகும்.

ஒருபடித்தான மின்புலத்தில் உள்ள நிலை ஆற்றல்

ஒரு மின்னூட்டம் ஒரு குறிப்பிட்ட நிலையில் இருக்கும்போது, ​​அதன் நிலை ஆற்றல் மதிப்பை அறிய முடியாது. ஆனால், அந்த மின்னூட்டம் ஓர் இடத்திலிருந்து மற்றொரு இடத்திற்கு நகரும்போது, ​​அதன் நிலை ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றத்தைக் கணக்கிட முடியும். எனவே, நிலை ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றமே இங்கு அர்த்தமுள்ளதாகும். ஒரு நேர்மின்னூட்டம் உயர் மின்னழுத்தத்திலிருந்து (நேர்மின்னூட்டம் பெற்ற தகடு) குறைந்த மின்னழுத்தத்திற்கு (எதிர்மின்னூட்டம் பெற்ற தகடு) நகரும்போது, ​​நிலை ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றங்களை (ΔEP) அறிய முடியும்.

ஒப்பீட்டிற்காக, மாம்பழம் அதன் தண்டில் இருக்கும்போது, ​​மாம்பழத்திற்கு ஈர்ப்பு நிலை ஆற்றல் உள்ளது, ஆனால் அதன் மதிப்பை அறிய முடியாது. மாம்பழம் ஈர்ப்பு விசையால் தரையை நோக்கி முடுக்கப்பட்டால், W = ΔEP = mgh என்ற சூத்திரத்தைப் பயன்படுத்தி கணக்கிடுவதன் மூலம் மாம்பழத்தின் ஈர்ப்பு நிலை ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றத்தை அறியலாம்.

இதில் m = நிறை, g = புவியீர்ப்பு முடுக்கம், h = மாம்பழத்திற்கும் தரையின் மேற்பரப்பிற்கும் இடையேயான தூரம்.

அதேபோல், ஒரு மின்னூட்டத்தை மின்விசை ஒரு புள்ளியிலிருந்து மற்றொரு புள்ளிக்கு முடுக்கும்போது, ​​அதன் நிலை ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றங்களை அறியலாம். முன்பு விளக்கியபடி, நேர்மின்னூட்டம் நேர்மின்னூட்டம் பெற்ற தகட்டிலிருந்து எதிர்மின்னூட்டம் பெற்ற தகட்டிற்கு நகர்ந்தால்,

நிலை ஆற்றலின் மாற்றம் W = ΔEP = q E d என்ற சூத்திரத்தைப் பயன்படுத்தி கணக்கிடப்படுகிறது, இதில் q = மின் மின்னூட்டம், E = மின்புலம் மற்றும் d = ஓர் இடத்திற்கும் மற்றொரு இடத்திற்கும் இடையிலான தூரம். இதேபோல், ஒரு எதிர்மின்னூட்டம் எதிர்மின்னூட்டம் பெற்ற தட்டிலிருந்து நேர்மின்னூட்டம் பெற்ற தட்டிற்கு நகர்ந்தால், அந்த எதிர்மின்னூட்டத்தின் நிலை ஆற்றலில் ஏற்படும் அதிகரிப்பு W = ΔEP = q E d என்ற சூத்திரத்தைப் பயன்படுத்தி கணக்கிடப்படுகிறது.

இரு புள்ளி மின்னூட்டங்களின் நிலை ஆற்றல்

நிலை ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றங்கள், ஒருபடித்தான மின்புலத்தில் உள்ள மின்னூட்டத்தால் மட்டுமல்லாமல், ஒற்றை மின்னூட்டத்தால் உருவாக்கப்படும் மின்புலத்தாலும் உணரப்படுகின்றன. Q என்ற ஒற்றை மின்னூட்டம் ஒரு மின்புலத்தை உருவாக்குவதாகவும், q என்ற மின்னூட்டம் அந்த Q மின்னூட்டத்திலிருந்து r என்ற தூரத்தில் இருப்பதாகவும் கொள்வோம்.

Q = மின்புலத்தை ஏற்படுத்தும் மின்னூட்டம்

q = Q என்ற மின்னூட்டத்தால் உருவாக்கப்படும் மின்புலத்தில் இடப்பெயர்வு செய்யப்படும் மின்னூட்டம்.

d = r = Q மின்னூட்டத்திலிருந்து q மின்னூட்டத்தின் தொலைவு.

இரு மின்னூட்டங்களும் ஒரே குறியைக் கொண்டிருந்தால், அதாவது + அல்லது -, அவை ஒன்றையொன்று விலக்கும் அல்லது விலகி இருக்கும். அதனால் நிலை ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றம் நேர்மறையாக இருக்கும் (மின் நிலை ஆற்றல் அதிகரிக்கும்). இது, ஒரு நிறைப் பொருள் பூமியிலிருந்து மேல்நோக்கி நகரும்போது அதன் உயரமும் ஈர்ப்பு நிலை ஆற்றலும் அதிகரிப்பதைப் போன்றது. இதற்கு நேர்மாறாக, இரு மின்னூட்டங்களின் குறியும் ஒன்றாக இல்லாவிட்டால், அவை ஒன்றையொன்று ஈர்க்கும் அல்லது நெருங்கி வரும். அதனால் நிலை ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றம் எதிர்மறையாக இருக்கும் (மின் நிலை ஆற்றல் குறையும்). இது, ஒரு நிறைப் பொருள் பூமியின் மேற்பரப்பை நோக்கி கீழ்நோக்கி நகரும்போது அதன் உயரமும் ஈர்ப்பு நிலை ஆற்றலும் குறைவதைப் போன்றது.

மின் விசை ஒரு நிலைக்காப்பு விசை ஆகும், எனவே மின்னூட்டப் பாதையின் வடிவம் நிலை ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றங்களைப் பாதிப்பதில்லை. நிலை ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றங்களின் மதிப்பை பாதிப்பது, மின்னூட்டத்தின் ஆரம்ப நிலை மற்றும் இறுதி நிலை ஆகியவையே ஆகும்.

அடுத்த தலைப்பில், நிலை மின்னழுத்தத்துடன் நெருங்கிய தொடர்புடைய இயற்பியல் அளவுகளான நிலை மின்னழுத்தம் பற்றிப் படிக்கப்படும்.