Trước khi nghiên cứu chủ đề này, trước tiên hãy nắm vững các kiến thức về vật lý , lực bảo toàn , điện tích , định luật Coulomb và điện trường.
Lực điện là một lực bảo toàn.
Bên cạnh lực hấp dẫn và lực đàn hồi, một ví dụ khác về lực bảo toàn là lực điện. Để hiểu rõ hơn tại sao lực điện được gọi là lực bảo toàn, hãy đọc phần giải thích sau đây.
Giả sử có hai tấm kim loại tích điện như trong hình, tấm bên trái tích điện dương và tấm bên phải tích điện âm.n âm. Mũi tên giữa cả hai tấm đều đường sức điện trường yang Từ điện tích dương hướng về điện tích âm. Một điện tích dương nằm gần một tấm mang điện tích dương.
Sự hiện diện của điện trường khiến điện tích dương chịu một lực điện cùng hướng với điện trường, do đó điện tích dương được gia tốc sang phải về phía bản cực tích điện âm. Hướng của lực điện là sang phải, cùng hướng với hướng chuyển động của điện tích, vì vậy lực điện thực hiện công dương lên điện tích. Về mặt toán học, công do lực điện thực hiện lên điện tích dương là W = Fs = qEs , trong đó W = công, F = lực điện, s = khoảng cách giữa hai bản cực, q = điện tích dương, E = điện trường.
Sau khi đến gần tấm tích điện âm, nếu điện tích dương muốntrở lạicó thể được trở lại vị trí ban đầu gần tấm tích điện dương khi đó phong cách của bạn là cần thiếtar Khi điện tích dương di chuyển bên trái hướng về phía tấm tích điện dươngLực điện vẫn hướng sang phải, do đó lực điện thực hiện công âm lên điện tích. Về mặt toán học, công do lực điện thực hiện lên điện tích dương là W = – F s = – q E s.
Tổng công do lực điện thực hiện trên một điện tích dương, khi điện tích di chuyển sang phải rồi lại di chuyển sang trái trở lại vị trí ban đầu là W = qEs – qEs = 0. Nếu tổng công do một lực thực hiện trên một vật, khi vật di chuyển ra khỏi vị trí ban đầu rồi quay trở lại vị trí ban đầu, bằng không, thì lực đó là lực bảo toàn. Dựa trên giải thích trên, có thể kết luận rằng lực điện là lực bảo toàn.
Lực điện và năng lượng điện
Công do một lực bảo toàn thực hiện có liên quan đến sự thay đổi thế năng. Ví dụ, công do lực hấp dẫn thực hiện trên một khối lượng làm thay đổi thế năng hấp dẫn của khối lượng đó. Tương tự, công do lực điện thực hiện trên một điện tích làm thay đổi thế năng điện của điện tích đó.
Điện tích dương trong một trường điện đồng nhất
Hai hình dưới đây minh họa ví dụ về công do một lực bảo toàn thực hiện gây ra sự thay đổi thế năng. Phần giải thích về công do lực hấp dẫn thực hiện và sự thay đổi thế năng hấp dẫn được sử dụng để so sánh, giúp dễ hiểu hơn về công do lực điện thực hiện và sự thay đổi thế năng điện.
Hình ảnh bên trái cho thấy một vật thể đang rơi. bebas hướng về mặt đất. Khi ở độ cao nhất định, vật thể có thế năng trọng trường cực đại. Khi một vật chuyển động xuống dưới, lực hấp dẫn tác dụng lên nó. Hướng của lực hấp dẫn trùng với hướng chuyển động của vật, tức là hướng xuống dưới, vì vậy lực hấp dẫn thực hiện công dương. Khi một vật tăng tốc xuống dưới, độ cao của nó giảm, do đó thế năng hấp dẫn của nó giảm. Khi sắp chạm đất, thế năng trọng trường đạt giá trị nhỏ nhất. Có thể kết luận rằng công dương do lực hấp dẫn thực hiện lên một vật làm giảm thế năng hấp dẫn của vật đó. Thế năng trọng trường không bị mất đi mà được chuyển hóa thành động năng, điều này được thể hiện bằng tốc độ tăng dần của vật khi chuyển động xuống dưới.
Hình ảnh bên phải cho thấy điện tích dương.Điện tích f nằm gần một bản cực tích điện dương. Khi ở gần bản cực tích điện dương, thế năng điện của điện tích đạt giá trị cực đại. Sự hiện diện của điện trường giữa hai bản cực khiến điện tích bị gia tốc bởi lực điện từ. Tấm tích điện dương nối với tấm tích điện âm. Khi tải trọng di chuyển sang phảilực điện cũng theo cùng hướng với Sự dịch chuyển điện tích là về phía bên phải, do đó lực điện thực hiện công dương. Trong khi di chuyển Khi dịch chuyển sang phải, động năng của điện tích tăng lên trong khi thế năng giảm xuống. Khi đến gần bản cực tích điện âm, thế năng của điện tích đạt giá trị nhỏ nhất. Có thể kết luận rằng công dương do lực điện thực hiện trên muatan, làm giảm thế năng điện của điện tích. SNgược lại, Jika Điện tích dương được di chuyển trở lại vị trí ban đầu. Khi đó, chiều truyền tải điện tích là sang trái, ngược với chiều truyền tải điện tích. lực điện hướng sang phảinVì lực điện có hướng ngược lại, nó thực hiện công âm lên điện tích dương. Khi điện tích di chuyển sang trái, thế năng điện tăng lên. Do đó, có thể kết luận rằng công âm do lực điện thực hiện lên điện tích làm tăng thế năng điện của điện tích.
Điện tích âm trong một điện trường đồng nhất
Khác với điện tích dương, điện tích âm có thế năng điện cực đại khi ở gần bản cực tích điện âm và thế năng điện cực tiểu khi ở gần bản cực tích điện dương. Theo quy luật tự nhiên, điện tích di chuyển từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, do đó điện tích âm cũng di chuyển từ bản cực tích điện âm đến bản cực tích điện dương. Hướng chuyển động của điện tích âm là sang trái, trong khi hướng của lực điện là sang phải, vì vậy lực điện thực hiện công âm. Khi di chuyển sang trái, thế năng điện của điện tích âm giảm và đạt giá trị cực tiểu khi điện tích âm đến gần bản cực tích điện dương. Có thể kết luận rằng công âm do lực điện thực hiện làm giảm thế năng điện của điện tích âm. Thế năng điện không bị mất đi mà được chuyển hóa thành động năng, điều này được thể hiện bằng tốc độ tăng dần của điện tích khi di chuyển về phía bản cực tích điện dương.
Thế năng điện trong một trường điện đồng nhất
Thế năng của một điện tích khi nó ở một vị trí nhất định là không xác định. Tuy nhiên, nếu điện tích di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác, sự thay đổi thế năng của nó có thể được xác định. Do đó, điều quan trọng là sự thay đổi thế năng (ΔEP).
Để so sánh, khi một quả xoài còn trên cuống, nó có thế năng trọng trường nhưng giá trị của nó không thể biết được. Nếu quả xoài được gia tốc xuống đất bởi lực hấp dẫn, sự giảm thế năng trọng trường của quả xoài có thể được xác định bằng cách tính toán sử dụng công thức W = Δ EP = mgh, trong đó m = khối lượng, g = gia tốc trọng trường, h là khoảng cách giữa cuống xoài và mặt đất.
Tương tự, sự thay đổi thế năng điện của một điện tích có thể được xác định khi điện tích đó được gia tốc bởi một lực điện từ điểm này đến điểm khác. Như đã giải thích trước đó, nếu một điện tích dương di chuyển từ một bản cực tích điện dương sang một bản cực tích điện âm, sự giảm thế năng điện của điện tích được tính bằng công thức W = ΔEP = qE/s, trong đó q = điện tích, E = cường độ điện trường và s là khoảng cách giữa hai bản cực hoặc khoảng cách giữa hai điểm. Tương tự, nếu một điện tích âm di chuyển từ một bản cực tích điện âm sang một bản cực tích điện dương, sự tăng thế năng điện của điện tích âm được tính bằng công thức W = ΔEP = qE/s.
Năng lượng điện thế của hai điện tích điểm
Sự thay đổi thế năng điện không chỉ xảy ra đối với các điện tích trong điện trường đều mà còn xảy ra trong điện trường do một điện tích đơn lẻ tạo ra. Giả sử có một điện tích Q tạo ra điện trường và điện tích q nằm cách điện tích Q một khoảng r.
Thông tin : k (hằng số Coulomb) = 9 x 109 Nm2/C2, Q = điện tích tạo ra điện trường. q = điện tích dịch chuyển trong điện trường do điện tích Q tạo ra. s = r = khoảng cách từ điện tích q đến điện tích Q.
Nếu cả hai điện tích cùng dấu, + hoặc – , thì hai điện tích đẩy nhau hoặc di chuyển ra xa nhau, do đó sự thay đổi thế năng là dương (thế năng điện tăng lên). Điều này tương tự như một vật thể có khối lượng chuyển động lên trên ra xa Trái Đất, do đó độ cao và thế năng trọng trường của nó tăng lên. Ngược lại, nếu hai điện tích khác dấu, thì hai điện tích hút nhau hoặc di chuyển lại gần nhau, do đó sự thay đổi thế năng là âm (thế năng điện giảm xuống). Điều này tương tự như một vật thể có khối lượng chuyển động xuống dưới về phía Trái Đất, do đó độ cao và thế năng trọng trường của nó giảm xuống.
Lực điện là một lực bảo toàn, do đó hình dạng quỹ đạo của điện tích không ảnh hưởng đến sự thay đổi thế năng điện. Điều ảnh hưởng đến sự thay đổi thế năng điện là vị trí ban đầu và vị trí cuối cùng của điện tích.
Trong chủ đề tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét lại điện thế , một đại lượng vật lý có liên quan mật thiết đến năng lượng điện thế.
