Bu konuyu incelemeye başlamadan önce, öncelikle fizik , koruyucu kuvvetler , elektrik yükü , Coulomb yasası ve elektrik alanları hakkındaki bilgileri anlamanız gerekmektedir.
Elektrik kuvveti, koruyucu bir kuvvettir.
Yerçekimi kuvveti ve yay kuvvetinin yanı sıra, koruyucu kuvvetlere bir diğer örnek de elektrik kuvvetidir. Elektrik kuvvetinin neden koruyucu kuvvet olarak adlandırıldığını daha iyi anlamak için aşağıdaki açıklamayı okuyun.
Resimde gösterildiği gibi, elektrik yüklü iki levha olduğunu varsayalım; sol levha pozitif yüklü, sağ levha ise negatif yüklüdür.n negatif. Aradaki ok her iki tabak da elektrik alan çizgileri yang Pozitif yüklü bir cisimden negatif yüklü bir cisme doğru hareket eder. Pozitif yüklü bir cisim, pozitif yüklü bir cismin yakınındadır.
Elektrik alanın varlığı pozitif bir yüke neden olur.if Elektrik alanıyla aynı yönde bir elektrik kuvvetine maruz kalır, böylece pozitif yük ivmelenir. Sağa Negatif yüklü plakaya doğru. Elektrik kuvvetinin yönü sağa doğrudur, yani aynı yöndedir. hareket yönü Elektrik kuvvetinin yüke pozitif iş yapması için, elektrik kuvvetinin yüke yaptığı iş matematiksel olarak şöyledir: W = F s = q E s, dBurada W = iş, F = elektrik kuvveti, s = iki plaka arasındaki mesafe, q = pozitif yük, E = elektrik alanıdır.
Negatif yüklü plakaya yaklaştıktan sonra, eğer pozitif yük istemekkembalisize orijinal konumuna yakın pozitif yüklü plaka o zaman sizin tarzınıza ihtiyaç varar. Yük pozitif olduğunda etkilenmiş Sola pozitif yüklü plakaya doğruElektrik kuvveti sağa doğru yönlenmiş halde kalır, bu nedenle elektrik kuvveti yüke negatif iş yapar. Matematiksel olarak, elektrik kuvvetinin pozitif bir yüke yaptığı iş W = – F s = – q E s'dir.
UElektrik kuvvetinin pozitif bir yüke uyguladığı toplam etki, Yük sağa doğru hareket ettiğinde, tekrar sola doğru hareket ederek başlangıç konumuna geri döner. W = q E s – q E s = 0. Bir cismin başlangıç konumundan uzaklaşıp tekrar başlangıç konumuna dönmesi sırasında bir kuvvetin cisim üzerinde yaptığı toplam iş sıfır ise, bu kuvvet koruyucu bir kuvvettir. Yukarıdaki açıklamaya dayanarak, elektrik kuvvetinin koruyucu bir kuvvet olduğu sonucuna varılabilir.
Elektrik kuvveti ve elektrik potansiyel enerjisi
Koruyucu bir kuvvetin yaptığı iş, potansiyel enerjideki değişimle ilişkilidir. Örneğin, yerçekimi kuvvetinin bir kütle üzerinde yaptığı iş, kütlenin yerçekimi potansiyel enerjisini değiştirir. Benzer şekilde, elektrik kuvvetinin bir elektrik yükü üzerinde yaptığı iş, yükün elektrik potansiyel enerjisini değiştirir.
Homojen bir elektrik alanında pozitif yük
Aşağıdaki iki şekil, potansiyel enerjide bir değişikliğe neden olan koruyucu bir kuvvetin yaptığı işe örnekler göstermektedir. Yerçekimi kuvvetinin yaptığı iş ve yerçekimi potansiyel enerjisindeki değişim açıklamaları, elektrik kuvvetinin yaptığı iş ve elektrik potansiyel enerjisindeki değişimin anlaşılmasını kolaylaştırmak için karşılaştırma amacıyla kullanılmıştır.
Soldaki resimde düşen bir cisim görülüyor. küçükler Yer yüzeyine doğru. Bir cisim yüksekteyken maksimum yerçekimi potansiyel enerjisine sahiptir. Bir cisim aşağı doğru hareket ettiğinde, üzerine yerçekimi kuvveti etki eder. Yerçekimi kuvvetinin yönü, cismin yer değiştirmesinin yönüyle aynıdır, yani aşağı doğrudur; bu nedenle yerçekimi kuvveti pozitif iş yapar. Bir cisim aşağı doğru ivmelendiğinde, yüksekliği azalır ve dolayısıyla yerçekimi potansiyel enerjisi de azalır. Yere ulaşmak üzereyken, yerçekimi potansiyel enerjisi minimum değerine ulaşır. Yerçekimi kuvvetinin bir cisim üzerinde yaptığı pozitif işin, cismin yerçekimi potansiyel enerjisini azalttığı sonucuna varılabilir. Yerçekimi potansiyel enerjisi kaybolmaz, aksine kinetik enerjiye dönüşür; bu da cismin aşağı doğru hareket ederken hızının artmasıyla gösterilir.
Sağdaki görüntü pozitif bir yükü göstermektedir.f yükü pozitif yüklü bir levhanın yakınındadır. Pozitif yüklü bir levhanın yakınındayken, yükün elektriksel potansiyel enerjisi maksimum seviyededir. İki levha arasında bir elektrik alanının varlığı, yükün elektrik kuvveti tarafından ivmelenmesine neden olur. Pozitif yüklü plaka negatif yüklü plakaya temas ettiğinde. Yük sağa doğru hareket eder.elektrik kuvveti aynı yönde de Yükün yer değiştirmesi sağa doğrudur, bu nedenle elektrik kuvveti pozitif iş yapar. Hareket halindeyken Sağa doğru, yükün kinetik enerjisi artarken elektriksel potansiyel enerjisi azalır. Negatif yüklü plakaya yaklaştığında, yükün elektriksel potansiyel enerjisi minimum değerine ulaşır. Elektrik kuvvetinin yaptığı pozitif işin şu şekilde özetlenebileceği sonucuna varılabilir: muatanBu durum, yükün elektriksel potansiyel enerjisini azaltır. Stam tersine, jika Pozitif yük orijinal konumuna geri taşındı. Bu durumda yük transferinin yönü sola doğrudur, yani yönün tersine doğrudur. sağa doğru elektrik kuvvetinElektrik kuvveti zıt yönde olduğundan, pozitif yüke negatif iş yapar. Yük sola doğru hareket ettikçe, elektrik potansiyel enerjisi artar. Bu nedenle, elektrik kuvvetinin yüke yaptığı negatif işin, yükün elektrik potansiyel enerjisini artırdığı sonucuna varılabilir.
Homojen bir elektrik alanında negatif yük
Pozitif yüklerin aksine, negatif yükler negatif yüklü bir plakaya yakın olduklarında maksimum, pozitif yüklü bir plakaya yakın olduklarında ise minimum elektriksel potansiyel enerjiye sahiptirler. Doğal olarak, elektriksel yükler yüksek potansiyelden düşük potansiyele doğru hareket eder, bu nedenle negatif yükler de negatif yüklü bir plakadan pozitif yüklü bir plakaya doğru hareket eder. Negatif yükün hareket yönü sola doğruyken, elektrik kuvvetinin yönü sağa doğrudur, bu nedenle elektrik kuvveti negatif iş yapar. Sola doğru hareket ederken, negatif yükün elektriksel potansiyel enerjisi azalır ve negatif yük pozitif yüklü plakaya yaklaştığında minimum değere ulaşır. Elektrik kuvvetinin yaptığı negatif işin, negatif yükün elektriksel potansiyel enerjisini azalttığı sonucuna varılabilir. Elektriksel potansiyel enerji kaybolmaz, kinetik enerjiye dönüşür; bu da yükün pozitif yüklü plakaya doğru hareket ederken hızının artmasıyla gösterilir.
Homojen bir elektrik alanındaki elektrik potansiyel enerjisi
Bir yükün belirli bir konumdayken sahip olduğu elektriksel potansiyel enerjisi bilinmemektedir. Ancak, yük bir konumdan diğerine hareket ederse, elektriksel potansiyel enerjisindeki değişim belirlenebilir. Bu nedenle, önemli olan potansiyel enerjideki değişimdir (ΔEP).
Buna karşılık, mango sapında durduğunda potansiyel enerjiye sahiptir. Yerçekimi kuvveti vardır, ancak değeri bilinemez. Eğer bir mango yerçekimi kuvvetiyle yere doğru ivmelendiriliyorsa, o zaman azaltmak Bir mango meyvesinin yerçekimi potansiyel enerjisi, W formülü kullanılarak hesaplanabilir. = ΔEP = mgh, burada m = kütle, g = yerçekimi ivmesi, h ise mango gövdesi ile yer yüzeyi arasındaki mesafedir.
Benzer şekilde, bir yükün elektriksel potansiyel enerjisindeki değişim, yükün bir noktadan diğerine elektriksel bir kuvvetle ivmelendirilmesi durumunda bilinebilir. Daha önce açıklandığı gibi, pozitif bir yük pozitif yüklü bir plakadan pozitif yüklü bir plakaya hareket ederse... Plaka o zaman negatif yüklüdür. azaltmak Yükün elektriksel potansiyel enerjisi şu formül kullanılarak hesaplanır: W = ΔEP = q = E s, burada q = elektrik yükü, E = elektrik alanı ve s iki plaka arasındaki mesafe veya bir yer ile diğer yer arasındaki mesafedir. Benzer şekilde, negatif yüklü bir plakadan pozitif yüklü bir plakaya negatif bir yük hareket ederse, arttırmak Negatif yüklü bir cismin elektriksel potansiyel enerjisi W = ΔEP = formülü kullanılarak hesaplanır. q E s.
İki noktasal yükün elektriksel potansiyel enerjisi
Elektrik potansiyel enerjisindeki değişimler sadece homojen bir elektrik alanındaki yükler tarafından değil, aynı zamanda tek bir elektrik yükünün ürettiği elektrik alanında da yaşanır. Diyelim ki, bir elektrik alanı üreten tek bir Q yükü var ve q yükü, Q yükünden r mesafede bulunuyor.
Bilgi: k (Coulomb sabiti) = 9 x 109 mil2/C2, Q = elektrik alanı oluşturan elektrik yükü, q = Q yükü tarafından oluşturulan elektrik alanında yer değiştiren elektrik yükü, s = r = q yükünün Q yükünden uzaklığı.
Eğer her iki yük de aynı işarete sahipse, yani + veya – ise, iki yük birbirini iter veya birbirinden uzaklaşır, böylece potansiyel enerjideki değişim pozitif olur (elektrik potansiyel enerjisi artar). Bu, kütleli bir cismin Dünya'dan yukarı doğru hareket etmesine ve böylece yüksekliğinin ve yerçekimi potansiyel enerjisinin artmasına benzer. Tersine, eğer iki yük farklı işaretlere sahipse, iki yük birbirini çeker veya birbirine yaklaşır, böylece potansiyel enerjideki değişim negatif olur (elektrik potansiyel enerjisi azalır). Bu, kütleli bir cismin Dünya'ya doğru aşağı doğru hareket etmesine ve böylece yüksekliğinin ve yerçekimi potansiyel enerjisinin azalmasına benzer.
Elektrik kuvveti koruyucu bir kuvvettir, bu nedenle yükün izlediği yolun şekli elektrik potansiyel enerjisindeki değişimi etkilemez. Elektrik potansiyel enerjisindeki değişimi etkileyen şey ise yükün başlangıç ve son konumlarıdır.
Bir sonraki konuda bu konu ele alınacaktır. elektrik potansiyeli, yakından ilişkili olan fiziksel bir nicelik elektriksel potansiyel enerji.
