เนื้อหา
- อธิบายสนามไฟฟ้า
- ความสัมพันธ์ระหว่างแรงโน้มถ่วงและสนามไฟฟ้า
- สมการพลังงานศักย์ไฟฟ้า
- ศักย์ไฟฟ้าระหว่างสองประจุ
- ตัวอย่างพลังงานศักย์ไฟฟ้า
เมื่อคุณทำการศึกษาการเคลื่อนที่ของอนุภาคในสนามไฟฟ้าครั้งแรกนั้นมีโอกาสที่คุณจะได้เรียนรู้บางสิ่งเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงและแรงโน้มถ่วง
เมื่อมันเกิดขึ้นความสัมพันธ์และสมการที่สำคัญหลายอย่างที่ควบคุมอนุภาคที่มีมวลมีคู่กันในโลกของการเกิดไฟฟ้าสถิตซึ่งทำให้การเปลี่ยนแปลงราบรื่น
คุณอาจได้เรียนรู้พลังงานของอนุภาคที่มีมวลคงตัวและความเร็ว โวลต์ คือผลรวมของ พลังงานจลน์ EKซึ่งพบโดยใช้ความสัมพันธ์ mv2/ 2 และ พลังงานศักย์โน้มถ่วง EPพบการใช้ผลิตภัณฑ์ MGH ที่ไหน ก. คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงและ ชั่วโมง คือระยะทางแนวตั้ง
อย่างที่คุณเห็นการค้นหาพลังงานศักย์ไฟฟ้าของอนุภาคที่มีประจุเกี่ยวข้องกับคณิตศาสตร์แบบอะนาล็อก
อธิบายสนามไฟฟ้า
อนุภาคที่มีประจุ Q สร้างสนามไฟฟ้า E ที่สามารถมองเห็นเป็นชุดของเส้นที่แผ่ออกไปด้านนอกแบบสมมาตรในทุกทิศทางจากอนุภาค ฟิลด์นี้ให้แรง F บนอนุภาคที่มีประจุอื่น Q. ขนาดของแรงถูกควบคุมโดยค่าคงที่ของคูลอมบ์ k และระยะห่างระหว่างประจุ:
F = frac {kQq} {r ^ 2}k มีขนาดของ 9 × 109 ม2/ c2ที่ไหน C ย่อมาจาก Coulomb หน่วยพื้นฐานของค่าใช้จ่ายในวิชาฟิสิกส์ จำได้ว่าอนุภาคที่มีประจุบวกจะดึงดูดอนุภาคที่มีประจุลบในขณะที่เหมือนประจุที่ขับไล่
คุณจะเห็นว่ากำลังลดลงด้วยการผกผัน สี่เหลี่ยม การเพิ่มระยะทางไม่ใช่แค่ "กับระยะทาง" ซึ่งในกรณีนี้ R จะไม่มีเลขชี้กำลัง
แรงยังสามารถเขียนได้ F = QEหรืออีกวิธีหนึ่งสนามไฟฟ้าสามารถแสดงเป็น E = F/Q.
ความสัมพันธ์ระหว่างแรงโน้มถ่วงและสนามไฟฟ้า
วัตถุขนาดใหญ่เช่นดาวหรือดาวเคราะห์ที่มีมวล M สร้างสนามแรงโน้มถ่วงที่สามารถมองเห็นได้ในลักษณะเดียวกับสนามไฟฟ้า ฟิลด์นี้ให้แรง F บนวัตถุอื่นที่มีมวล ม. ในลักษณะที่ลดขนาดลงด้วยกำลังสองของระยะทาง R ระหว่างพวกเขา:
F = frac {GMm} {r ^ 2}ที่ไหน G คือค่าคงตัวความโน้มถ่วงสากล
การเปรียบเทียบระหว่างสมการเหล่านี้กับที่อยู่ในส่วนก่อนหน้านั้นชัดเจน
สมการพลังงานศักย์ไฟฟ้า
สูตรของพลังงานศักย์ไฟฟ้าสถิตที่เขียน ยู สำหรับอนุภาคที่มีประจุจะมีทั้งขนาดและขั้วของประจุและการแยก:
U = frac {kQq} {r}หากคุณจำได้ว่างาน (ซึ่งมีหน่วยของพลังงาน) คือแรงคูณระยะทางนี่จะอธิบายว่าทำไมสมการนี้จึงแตกต่างจากสมการแรงเพียงโดย "R"ในตัวหารการคูณก่อนด้วยระยะทาง R ให้หลัง
ศักย์ไฟฟ้าระหว่างสองประจุ
ณ จุดนี้คุณอาจสงสัยว่าทำไมถึงมีการพูดถึงประจุและสนามไฟฟ้ามากมาย แต่ไม่มีการพูดถึงแรงดันไฟฟ้า ปริมาณนี้ Vเป็นพลังงานไฟฟ้าที่มีศักยภาพต่อการชาร์จหนึ่งหน่วย
ความต่างศักย์ไฟฟ้าแสดงถึงงานที่จะต้องทำกับสนามไฟฟ้าเพื่อเคลื่อนย้ายอนุภาค Q กับทิศทางโดยนัยของสนาม นั่นคือถ้า E ถูกสร้างขึ้นโดยอนุภาคที่มีประจุบวก Q, V เป็นงานที่จำเป็นต่อการประจุหนึ่งหน่วยในการเคลื่อนย้ายอนุภาคที่มีประจุบวกกับระยะทาง R ระหว่างพวกเขาและเพื่อย้ายอนุภาคที่มีประจุลบด้วยขนาดประจุเดียวกันเป็นระยะทาง R ไป จาก Q.
ตัวอย่างพลังงานศักย์ไฟฟ้า
อนุภาค Q โดยมีค่าใช้จ่าย +4.0 nanocoulombs (1 nC = 10 –9 คูลอมบ์) เป็นระยะทาง R = 50 ซม. (เช่น 0.5 ม.) อยู่ห่างจากค่าใช้จ่าย –8.0 nC พลังงานศักย์ของมันคืออะไร?
start {ชิด} U & = frac {kQq} {r} & = frac {(9 × 10 ^ 9 ; {N} ; {m} ^ 2 / {C} ^ 2 ) × (+8.0 × 10 ^ {- 9} ; {C}) × (–4.0 × 10 ^ {- 9} ; {C})} {0.5 ; {m}} & = 5.76 × 10 ^ {- 7} ; {J} end {align}สัญญาณเชิงลบเป็นผลมาจากประจุที่อยู่ตรงข้ามกันและดึงดูดซึ่งกันและกัน ปริมาณงานที่ต้องทำเพื่อส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในพลังงานศักย์มีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้ามและในกรณีนี้ต้องทำงานบวกเพื่อแยกประจุ (เหมือนยกวัตถุกับแรงโน้มถ่วง)