విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తి

విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తి గురించిన వ్యాసం

ఈ అంశాన్ని అధ్యయనం చేసే ముందు, మొదట పని, సంరక్షక బలాలు, సంరక్షక బలాలకు మరియు స్థితిశక్తికి మధ్య ఉన్న సంబంధం , విద్యుత్ బలాలు మరియు విద్యుత్ క్షేత్రం గురించి అర్థం చేసుకోండి.

విద్యుత్ బలం అనేది సంరక్షక బలం

గురుత్వాకర్షణ బలం మరియు స్ప్రింగ్ బలానికి అదనంగా, విద్యుత్ బలం అనేది సంరక్షక బలానికి మరొక ఉదాహరణ. విద్యుత్ బలాన్ని సంరక్షక బలం అని ఎందుకు అంటారో బాగా అర్థం చేసుకోవడానికి, ఈ క్రింది వివరణను అర్థం చేసుకోండి.

పటంలో చూపిన విధంగా రెండు విద్యుత్ ఆవేశిత పలకలు ఉన్నాయని అనుకుందాం, ఎడమ పలక ధనావేశం కలిగి ఉంది మరియు కుడి పలక రుణావేశం కలిగి ఉంది. రెండు పలకల మధ్య ఉన్న బాణం గుర్తు, ధనావేశం నుండి రుణావేశం వైపు వచ్చే విద్యుత్ క్షేత్ర రేఖలను సూచిస్తుంది. ఒక ధనావేశం, ధనావేశం గల విద్యుత్ పలకకు సమీపంలో ఉంటుంది.

విద్యుత్ క్షేత్రం ఉండటం వలన ధనావేశం విద్యుత్ క్షేత్రం దిశలో విద్యుత్ బలాన్ని అనుభవిస్తుంది, తద్వారా ధనావేశం రుణావేశిత పలక వైపు కుడివైపుకు త్వరణం చెందుతుంది. విద్యుత్ బలం యొక్క దిశ కుడివైపుకు, అంటే ఆవేశం యొక్క చలన దిశలో ఉండటం వలన, విద్యుత్ బలం ఆవేశంపై ధనాత్మక పనిని చేస్తుంది. గణితశాస్త్రపరంగా, ధనావేశంపై విద్యుత్ బలం చేసిన పని W = F d = q E d, ఇక్కడ W = పని, F = విద్యుత్ బలం, d = రెండు పలకల మధ్య దూరం, q = ధనావేశం, E = విద్యుత్ క్షేత్రం.

రుణాత్మకంగా ఆవేశం గల పలక దగ్గరకు చేరిన తర్వాత, ధనావేశాన్ని తిరిగి దాని అసలు స్థానానికి తీసుకురావాలంటే, ఒక బాహ్య బలం అవసరం. ధనావేశాన్ని ధనావేశం గల పలక వైపు ఎడమకు జరిపినప్పుడు, విద్యుత్ బలం కుడి దిశలోనే ఉంటుంది, అందువల్ల విద్యుత్ బలం ఆవేశంపై రుణాత్మక పని చేస్తుంది. గణితశాస్త్రపరంగా, ధనావేశంపై విద్యుత్ బలం చేసిన పని W = – F d = – q E d.

ఒక ధన ఆవేశం కుడివైపుకు కదిలి, ఆపై తిరిగి ఎడమవైపుకు దాని అసలు స్థానానికి వచ్చినప్పుడు, ఆ ఆవేశంపై విద్యుత్ బలం చేసిన మొత్తం పని W = q E d – q E d = 0. ఒక వస్తువు దాని అసలు స్థానం నుండి దూరంగా కదిలి, ఆపై తిరిగి దాని అసలు స్థానానికి వచ్చినప్పుడు, ఆ వస్తువుపై బలం చేసిన నికర పని సున్నా అయితే, ఆ బలం ఒక సంరక్షక బలం అవుతుంది. పై వివరణ ఆధారంగా, విద్యుత్ బలం ఒక సంరక్షక బలం అని నిర్ధారించవచ్చు.

విద్యుత్ బలం మరియు విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తి

సంరక్షక బలాలు చేసే పని, స్థితిశక్తిలోని మార్పులతో సంబంధం కలిగి ఉంటుంది. ఉదాహరణకు, ఒక ద్రవ్యరాశి వస్తువుపై గురుత్వాకర్షణ బలం చేసే పని, ఆ ద్రవ్యరాశి వస్తువు యొక్క గురుత్వాకర్షణ స్థితిశక్తిని మారుస్తుంది. అదేవిధంగా, ఒక విద్యుత్ ఆవేశంలో విద్యుత్ బలం చేసే పని, ఆ ఆవేశం యొక్క విద్యుత్ స్థితిశక్తిని మారుస్తుంది.

సజాతీయ విద్యుత్ క్షేత్రంలో ధనాత్మక ఆవేశం

కింద ఉన్న రెండు చిత్రాలు, స్థితిశక్తిలో మార్పులకు కారణమయ్యే సంరక్షక బలాల ద్వారా జరిగే పనికి ఉదాహరణలను వివరిస్తాయి. గురుత్వాకర్షణ బలం చేసిన పని మరియు గురుత్వాకర్షణ స్థితిశక్తిలోని మార్పుల వివరణను పోలిక కోసం ఉపయోగించడం జరిగింది.

విద్యుత్ బలం చేసే పని మరియు విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తిలోని మార్పులను అర్థం చేసుకోవడాన్ని సులభతరం చేయడానికి.

ఎడమ వైపున ఉన్న చిత్రం, భూమి ఉపరితలం వైపు స్వేచ్ఛగా కిందకు పడుతున్న ఒక వస్తువును చూపిస్తుంది. పైన ఉన్నప్పుడు, వస్తువులు గరిష్ట గురుత్వాకర్షణ స్థితిశక్తిని కలిగి ఉంటాయి. కిందకు కదులుతున్నప్పుడు, వస్తువుపై గురుత్వాకర్షణ బలం పనిచేస్తుంది. గురుత్వాకర్షణ బలం యొక్క దిశ, కిందకు ఉన్న వస్తువు యొక్క కదలిక దిశతో సమానంగా ఉంటుంది, అందువల్ల గురుత్వాకర్షణ బలం ధనాత్మక పని చేస్తుంది. కిందకు త్వరణం చెందినప్పుడు, వస్తువు యొక్క ఎత్తు తగ్గుతుంది, అందువల్ల వస్తువు యొక్క గురుత్వాకర్షణ స్థితిశక్తి తగ్గుతుంది. నేలను చేరినప్పుడు, గురుత్వాకర్షణ స్థితిశక్తి కనిష్టంగా ఉంటుంది. వస్తువుపై గురుత్వాకర్షణ బలం చేసే ధనాత్మక పని, వస్తువు యొక్క గురుత్వాకర్షణ స్థితిశక్తిని తగ్గిస్తుందని నిర్ధారించవచ్చు. గురుత్వాకర్షణ స్థితిశక్తి నశించదు, కానీ గతిశక్తిగా మారుతుంది, ఇది వస్తువు కిందకు కదులుతున్నప్పుడు దాని వేగం పెరగడం ద్వారా సూచించబడుతుంది.

కుడి వైపున ఉన్న పటం ధనావేశిత పలకకు సమీపంలో ఉన్న ధనావేశాన్ని చూపిస్తుంది. ధనావేశిత పలకకు సమీపంలో ఉన్నప్పుడు, విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తి గరిష్ట విలువను కలిగి ఉంటుంది. రెండు పలకల మధ్య విద్యుత్ క్షేత్రం ఉండటం వలన, విద్యుత్ బలం ద్వారా ఆవేశం ధనావేశిత పలక నుండి రుణావేశిత పలక వైపుకు త్వరణం చెందుతుంది. ఆవేశం కుడి వైపుకు కదిలినప్పుడు, విద్యుత్ బలం కూడా ఆవేశం కుడి వైపుకు స్థానభ్రంశం చెందే దిశలోనే ఉంటుంది, అందువల్ల విద్యుత్ బలం ధనాత్మక పని చేస్తుంది. కుడి వైపుకు కదులుతున్నప్పుడు, ఆవేశం యొక్క గతిజ శక్తి పెరుగుతుంది, అయితే విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తి తగ్గుతుంది.

రుణావేశం ఉన్న పలక దగ్గరకు చేరినప్పుడు, విద్యుత్ స్థితిశక్తి కనిష్ట విలువను కలిగి ఉంటుంది. ఆవేశంపై విద్యుత్ బలం చేసే ధనాత్మక పని, ఆవేశం యొక్క విద్యుత్ స్థితిశక్తిని తగ్గిస్తుందని నిర్ధారించవచ్చు. దీనికి విరుద్ధంగా, ధనాత్మక ఆవేశాన్ని దాని అసలు స్థానానికి తిరిగి జరిపినప్పుడు, విద్యుత్ బలం కుడివైపుకు వెళ్లే దిశకు వ్యతిరేకంగా, ఆవేశం యొక్క దిశ ఎడమవైపుకు మారుతుంది. ఈ వ్యతిరేక దిశ కారణంగా, విద్యుత్ బలం ధనాత్మక ఆవేశంపై రుణాత్మక పని చేస్తుంది. ఎడమవైపుకు కదిలినప్పుడు, విద్యుత్ స్థితిశక్తి పెరుగుతుంది. అందువల్ల, ఆవేశంపై విద్యుత్ బలం చేసే రుణాత్మక పని, ఆవేశం యొక్క విద్యుత్ స్థితిశక్తిని పెంచుతుందని నిర్ధారించవచ్చు.

సజాతీయ విద్యుత్ క్షేత్రంలో రుణాత్మక ఆవేశం

ధనావేశానికి భిన్నంగా, రుణావేశం రుణావేశిత పలకకు సమీపంలో ఉన్నప్పుడు గరిష్ట విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తిని, మరియు ధనావేశిత పలకకు సమీపంలో ఉన్నప్పుడు కనిష్ట విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తిని కలిగి ఉంటుంది. సహజంగా, విద్యుత్ ఆవేశం అధిక పొటెన్షియల్ నుండి తక్కువ పొటెన్షియల్‌కు కదులుతుంది, కాబట్టి రుణావేశం కూడా రుణావేశిత పలక నుండి ధనావేశిత పలక వైపు కదులుతుంది. రుణావేశం యొక్క స్థానభ్రంశం దిశ ఎడమ వైపుకు ఉంటుంది, అయితే విద్యుత్ బలం యొక్క దిశ కుడి వైపుకు ఉంటుంది, తద్వారా విద్యుత్ బలం రుణాత్మక పని చేస్తుంది. ఎడమ వైపుకు కదులుతున్నప్పుడు, రుణావేశం యొక్క విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తి తగ్గుతుంది మరియు రుణావేశం ధనావేశిత పలకకు సమీపానికి చేరుకున్నప్పుడు కనిష్ట విలువను కలిగి ఉంటుంది. విద్యుత్ బలం చేసిన రుణాత్మక పని రుణావేశం యొక్క విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తిని తగ్గిస్తుందని నిర్ధారించవచ్చు. విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తి నష్టపోకుండా గతి శక్తిగా మారుతుంది, ఇది ధనావేశిత పలక వైపు కదులుతున్నప్పుడు ఆవేశం యొక్క వేగాన్ని పెంచడం ద్వారా వర్గీకరించబడుతుంది.

సజాతీయ విద్యుత్ క్షేత్రంలో విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తి

ఒక ఆవేశం ఒక నిర్దిష్ట స్థానంలో ఉన్నప్పుడు దాని విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తి విలువను తెలుసుకోలేము. కానీ ఆవేశం ఒక ప్రదేశం నుండి మరొక ప్రదేశానికి కదిలినప్పుడు, ఆ ఆవేశం యొక్క విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తిలో మార్పును లెక్కించవచ్చు. కాబట్టి, పొటెన్షియల్ శక్తిలో మార్పు అనేది అర్థవంతమైనది. ధన ఆవేశం అధిక పొటెన్షియల్ (ధన ఆవేశిత పలక) నుండి తక్కువ పొటెన్షియల్ (ఋణ ఆవేశిత పలక)కు కదిలినప్పుడు విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తిలో మార్పులను (ΔEP) తెలుసుకోవచ్చు.

పోలిక కోసం, మామిడి పండు కాండం మీద ఉన్నప్పుడు, దానికి గురుత్వాకర్షణ స్థితిశక్తి ఉంటుంది, కానీ దాని విలువను తెలుసుకోలేము. ఒకవేళ మామిడి పండు గురుత్వాకర్షణ బలం వల్ల భూమి మీదకు త్వరణం చెందితే, W = ΔEP = mgh అనే సూత్రాన్ని ఉపయోగించి లెక్కించడం ద్వారా మామిడి యొక్క గురుత్వాకర్షణ స్థితిశక్తిలో మార్పును తెలుసుకోవచ్చు.

ఇక్కడ m = ద్రవ్యరాశి, g = గురుత్వాకర్షణ త్వరణం, h = మామిడి పండుకు మరియు నేల ఉపరితలానికి మధ్య ఉన్న దూరం.

అదేవిధంగా, విద్యుత్ బలం ఒక ఆవేశాన్ని ఒక బిందువు నుండి మరొక బిందువుకు వేగవంతం చేసినప్పుడు, ఆ ఆవేశం యొక్క విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తిలో కలిగే మార్పులను తెలుసుకోవచ్చు. ఇంతకు ముందు వివరించినట్లుగా, ధనావేశం ధనావేశ పలక నుండి రుణావేశ పలకకు కదిలితే,

విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తిలోని మార్పును W = ΔEP = q E d అనే సూత్రాన్ని ఉపయోగించి లెక్కిస్తారు, ఇక్కడ q = విద్యుత్ ఆవేశం, E = విద్యుత్ క్షేత్రం మరియు d = ఒక ప్రదేశానికి మరియు మరొక ప్రదేశానికి మధ్య ఉన్న దూరం. అదేవిధంగా, రుణావేశం రుణావేశ పలక నుండి ధనావేశ పలకకు కదిలితే, రుణావేశం యొక్క విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తిలోని పెరుగుదలను W = ΔEP = q E d అనే సూత్రాన్ని ఉపయోగించి లెక్కిస్తారు.

రెండు బిందు ఛార్జీల విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తి

విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తిలోని మార్పులు సజాతీయ విద్యుత్ క్షేత్రంలోని ఆవేశం ద్వారా మాత్రమే కాకుండా, ఒకే విద్యుత్ ఆవేశం ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన విద్యుత్ క్షేత్రం ద్వారా కూడా అనుభవించబడతాయి. ఒక విద్యుత్ క్షేత్రాన్ని ఉత్పత్తి చేసే Q అనే ఒకే ఆవేశం ఉందని మరియు q అనే ఆవేశం Q ఆవేశం నుండి r దూరంలో ఉందని అనుకుందాం.

Q = విద్యుత్ క్షేత్రాన్ని కలిగించే విద్యుత్ ఆవేశం

q = Q ఆవేశం వలన ఏర్పడిన విద్యుత్ క్షేత్రంలో స్థానభ్రంశం చెందిన విద్యుత్ ఆవేశం

d = r = ఆవేశం Q నుండి ఆవేశం q కు గల దూరం.

రెండు ఆవేశాలు ఒకే గుర్తును (+ లేదా -) కలిగి ఉంటే, ఆ రెండు ఆవేశాలు ఒకదానికొకటి వికర్షించుకుంటాయి లేదా దూరంగా ఉంటాయి, తద్వారా స్థితిశక్తిలో మార్పులు ధనాత్మకంగా ఉంటాయి (విద్యుత్ స్థితిశక్తి పెరుగుతుంది). ఇది భూమి నుండి పైకి కదులుతున్న ఒక ద్రవ్యరాశి వస్తువు యొక్క ఎత్తు మరియు గురుత్వాకర్షణ స్థితిశక్తి పెరగడం లాంటిది. దీనికి విరుద్ధంగా, రెండు ఆవేశాల గుర్తులు ఒకేలా లేకపోతే, ఆ రెండు ఆవేశాలు ఒకదానికొకటి ఆకర్షించుకుంటాయి లేదా దగ్గరగా వస్తాయి, తద్వారా స్థితిశక్తిలో మార్పు రుణాత్మకంగా ఉంటుంది (విద్యుత్ స్థితిశక్తి తగ్గుతుంది). ఇది భూమి ఉపరితలానికి కిందికి కదులుతున్న ఒక ద్రవ్యరాశి వస్తువు యొక్క ఎత్తు మరియు గురుత్వాకర్షణ స్థితిశక్తి తగ్గడం లాంటిది.

విద్యుత్ బలం ఒక సంరక్షక బలం, అందువల్ల ఆవేశ మార్గం యొక్క ఆకారం విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తిలోని మార్పులను ప్రభావితం చేయదు. విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తిలోని మార్పుల విలువను ప్రభావితం చేసేవి ఆవేశం యొక్క ప్రారంభ స్థానం మరియు తుది స్థానం.

తదుపరి అంశంలో, విద్యుత్ పొటెన్షియల్ శక్తితో బలంగా సంబంధం ఉన్న భౌతిక పరిమాణాలైన విద్యుత్ పొటెన్షియల్ గురించి అధ్యయనం చేయబడుతుంది.