ელექტროენერგიის გასაგებად უნდა გესმოდეთ ელექტრული ძალა და რა დაემართება ბრალს ელექტრული ველის არსებობისას. რა ძალებს იგრძნობთ მუხტი? როგორ გადავა ის შედეგად? მასთან დაკავშირებული კონცეფცია არის ელექტრული პოტენციალი, რომელიც განსაკუთრებით გამოსადეგი ხდება, როდესაც ბატარეებსა და სქემებზე საუბრობთ.
ელექტრო პოტენციალის განმარტება
შეიძლება გაიხსენოთ, რომ გრავიტაციულ ველში მოთავსებულ მასას აქვს გარკვეული რაოდენობის პოტენციური ენერგია მისი მდებარეობის გამო. (გრავიტაციული პოტენციური ენერგია არისგმმ / რ, რაც ამცირებსმგჰდედამიწის ზედაპირთან ახლოს.) ანალოგიურად, ელექტრულ ველში მოთავსებულ მუხტს ექნება გარკვეული პოტენციური ენერგია ამ სფეროში მდებარეობის გამო.
ელექტრო პოტენციური ენერგიაბრალდებითqმუხტით წარმოებული ელექტრო ველის გამოQმოცემულია:
PE_ {elec} = \ frac {kQq} {r}
სადრარის მანძილი მუხტებსა და კულონის მუდმივას შორის k = 8.99 × 109 ნმ2/ გ2.
ელექტროენერგიაზე მუშაობის დროს, ხშირად უფრო მოსახერხებელია მუშაობა იმ რაოდენობით, რომელსაც ეწოდებაელექტრო პოტენციალი(ასევე ეწოდება ელექტროსტატიკურ პოტენციალს). რა არის ელექტრული პოტენციალი მარტივი სიტყვებით? ეს არის ელექტროენერგიის პოტენციური ენერგია ერთჯერადი მუხტისთვის. ელექტრო პოტენციალი
ვშემდეგ, მანძილირწერტილოვანი მუხტიდანQარის:V = \ frac {kQ} {r}
სადკარის იგივე კულონის მუდმივა.
ელექტრო პოტენციალის SI ერთეული არის ვოლტი (V), სადაც V = J / C (ჯოლები თითო კულონზე). ამ მიზეზით, ელექტროენერგიის პოტენციალს ხშირად უწოდებენ "ძაბვას". ამ ერთეულს სახელი მიენიჭა ალესანდრო ვოლტას, პირველი ელექტრო ელემენტის გამომგონებლის შესახებ.
ელექტრული პოტენციალის დასადგენად, სივრცის წერტილში, რომელიც წარმოიქმნება რამდენიმე მუხტის განაწილების შედეგად, შეგიძლიათ შეაჯამოთ თითოეული ინდივიდუალური მუხტის ელექტრული პოტენციალი. გაითვალისწინეთ, რომ ელექტრული პოტენციალი არის სკალარული სიდიდე, ამიტომ ეს არის პირდაპირი თანხა და არა ვექტორული ჯამი. მიუხედავად იმისა, რომ სკალარია, ელექტროენერგიის პოტენციალს შეუძლია კვლავ მიიღოს დადებითი და უარყოფითი მნიშვნელობები.
ელექტრული პოტენციალის სხვაობების გაზომვა შესაძლებელია ვოლტმეტრით ვოლტმეტრის შეერთებით იმ ნივთთან, რომლის ძაბვა იზომება. (შენიშვნა: ელექტროენერგეტიკული პოტენციალი და პოტენციური განსხვავება არ არის იგივე. პირველი აღნიშნავს აბსოლუტურ რაოდენობას მოცემულ წერტილში, ხოლო მეორე ეხება პოტენციალის სხვაობას ორ წერტილს შორის.)
Რჩევები
არ აურიოთ ელექტროენერგიის პოტენციალი და ენერგია. ისინი ერთი და იგივე არ არის, თუმცა მჭიდრო კავშირშია ერთმანეთთან!ელექტრო პოტენციალივუკავშირდებაელექტრო პოტენციური ენერგიაPEელექტრომეშვეობითPEელექტრო = qVბრალდებითq.
ტოლფასიანი ზედაპირები და ხაზები
ეკვიპოტენციური ზედაპირი ან ხაზები არის რეგიონები, რომელთა გასწვრივ ელექტრული პოტენციალი მუდმივია. როდესაც მოცემული ელექტრული ველისთვის ეკვიპოტენციური ხაზებია დახატული, ისინი ქმნიან სივრცის ერთგვარ ტოპოგრაფიულ რუქას, როგორც ამას დატვირთული ნაწილაკები ხედავენ.
თანაფარდობითი ხაზები ნამდვილად მოქმედებს ისევე, როგორც ტოპოგრაფიული რუკა. ისევე, როგორც წარმოიდგინეთ, რომ შეგეძლებათ იმის გარკვევა, თუ რომელი მიმართულებით დატრიალდება ბურთი ასეთი ტოპოგრაფიის დათვალიერებით, თქვენ ასევე შეგიძლიათ მიხვდეთ, რომელი მიმართულებით გადავა მუხტი თანაბარი პოტენციური რუქიდან.
იფიქრეთ მაღალი პოტენციალის მქონე რეგიონებზე, როგორც მთების მწვერვალებზე და დაბალი პოტენციალის მქონე რეგიონებზე, როგორც ხეობებში. ისევე, როგორც ბურთი დაღმართზე დატრიალდება, დადებითი მუხტი მაღალიდან დაბალ პოტენციალში გადავა. ამ მოძრაობის ზუსტი მიმართულება, ნებისმიერი სხვა ძალების შეზღუდვისას, ყოველთვის პერპენდიკულარული იქნება ამ ეკვიპოტენციური ხაზების მიმართ.
ელექტრო პოტენციალი და ელექტრო ველი:თუ გაიხსენებთ, დადებითი მუხტები გადაადგილდება ელექტრული ველის ხაზების მიმართულებით. ადვილი გასაგებია, რომ ელექტრული ველის ხაზები ყოველთვის პერპენდიკულარულად კვეთს ეკვიპოტენციალურ ხაზებს.
წერტილოვანი მუხტის გარშემო არსებული თანაბარი ხაზები შემდეგნაირად გამოიყურება:
გაითვალისწინეთ, რომ ისინი უფრო მჭიდროდ არიან დაშორებული მუხტის მახლობლად. ეს იმიტომ ხდება, რომ იქ პოტენციალი უფრო სწრაფად ეცემა. თუ გაიხსენებთ, ასოცირებული ელექტრული ველის ხაზები პოზიტიური წერტილის მუხტის წერტილისთვის რადიალურად გარეა და, როგორც მოსალოდნელი იყო, ამ ხაზებს კვეთს პერპენდიკულურად.
აქ მოცემულია დიპოლის ეკვიპოტენციური ხაზების გამოსახვა.
•••დამზადებულია აპის გამოყენებით: https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and-fields_en.html
გაითვალისწინეთ, რომ ისინი ანტისმეტრიულია: დადებითი მუხტის მახლობლები მაღალი პოტენციალის მნიშვნელობებია, ხოლო უარყოფითი მუხტის მახლობლები დაბალი პოტენციალის მნიშვნელობები. პოზიტიური მუხტი, რომელიც მოთავსებულია სიახლოვეს ნებისმიერ ადგილას, გააკეთებს იმას, რასაც თქვენ ველით, რომ დაღმართზე გადავარდება ბურთი: გაემართეთ დაბალი პოტენციალის "ხეობისკენ". უარყოფითი მუხტები კი პირიქითაა. ისინი "აღმართზე ატრიალებენ!"
ისევე, როგორც გრავიტაციული პოტენციური ენერგია თავისუფალ ვარდნაში მყოფი ობიექტების კინეტიკურ ენერგიად გარდაიქმნება, ასეც ხდება არის ელექტრო პოტენციური ენერგია, რომელიც გადაკეთებულია კინეტიკურ ენერგიად, ელექტრული ენერგიით თავისუფლად გადაადგილებისთვის ველი ასე რომ, თუ მუხტი q გადის პოტენციურ ხარვეზს V, მაშინ მისი ცვლილების სიდიდე პოტენციურ ენერგიაშიqVახლა არის კინეტიკური ენერგია1/2 მვ2. (გაითვალისწინეთ, რომ ეს ასევე უდრის ელექტრული ძალის მიერ შესრულებული სამუშაოს მოცულობას, რომ მუხტი იმავე მანძილზე გადავიდეს. ეს შეესაბამება სამუშაო-კინეტიკური ენერგიის თეორემას.)
ელემენტები, დენებისა და წრეები
თქვენ ალბათ იცით ბატარეებზე ძაბვის სიების ნახვა. ეს მიუთითებს ელექტროენერგიის პოტენციალზე სხვაობის ელემენტის ორ ტერმინალს შორის. როდესაც ორი ტერმინალი გამტარ მავთულის მეშვეობითაა დაკავშირებული, გამტარობის თავისუფალ ელექტრონებს გადაადგილება მოჰყვება.
მიუხედავად იმისა, რომ ელექტრონები მოძრაობენ დაბალი პოტენციალიდან მაღალ პოტენციალზე, მიმდინარე დინების მიმართულება კანონიკურად განისაზღვრება საპირისპირო მიმართულებით. ეს იმიტომ ხდება, რომ იგი განისაზღვრა, როგორც დადებითი მუხტის დინების მიმართულება, სანამ ფიზიკოსებმა არ იცოდნენ, რომ ეს იყო ელექტრონი, უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკი, რომელიც რეალურად მოძრაობს ფიზიკურად.
ამასთან, ვინაიდან უმეტეს პრაქტიკული მიზნებისათვის, ერთი მიმართულებით მოძრავი პოზიტიური ელექტრული მუხტი გამოიყურება იგივეა, რაც უარყოფითი ელექტრული მუხტი საპირისპირო მიმართულებით მოძრაობს, განსხვავება ხდება შეუსაბამო.
ელექტრული წრე იქმნება ყოველთვის, როდესაც მავთული ტოვებს ენერგიის წყაროს, მაგალითად, აკუმულატორს, მაღალი პოტენციალით, შემდეგ სხვას უკავშირდება წრიული ელემენტები (შესაძლებელია პროცესში ფილიალი) შემდეგ ბრუნდება ერთად და უკავშირდება ენერგიის დაბალი პოტენციური ტერმინალს წყარო.
როდესაც ასეთია დაკავშირებული, მიმდინარეობა მოძრაობს წრეში, ელექტროენერგიის მიწოდებას სხვადასხვაში წრიული ელემენტები, რომლებიც თავის მხრივ ამ ენერგიას გარდაქმნიან სითბოდ ან სინათლედ ან მოძრაობად, რაც დამოკიდებულია მათზე ფუნქცია
ელექტრული წრე შეიძლება მიჩნეულ იქნას მილსადენი წყლის მქონე მილების ანალოგიურად. აკუმულატორი მილის ერთ ბოლოს ასწევს ისე, რომ წყალი ჩამოდის ქვემოთ. გორაკის ძირას, აკუმულატორი წყალს სათავეს უკან უბრუნებს.
ძაბვა ანალოგიურია, თუ რამდენად მაღალია წყლის აწევა გათავისუფლებამდე. დენი წყლის ნაკადის ანალოგია. და თუ სხვადასხვა დაბრკოლებებს (მაგალითად, წყლის ბორბალს) ხელს უშლიდა, ეს შეანელებს წყლის ნაკადს, რადგან ენერგია გადაიტანებოდა წრიული ელემენტების მსგავსად.
დარბაზის ძაბვა
პოზიტიური მიმდინარე დინების მიმართულება განისაზღვრება, როგორც მიმართულება, რომელშიც შემოვა დადებითი თავისუფალი მუხტი გამოყენებული პოტენციალის არსებობის შემთხვევაში. ეს კონგრესი მანამდე შედგა, სანამ არ იცით, რომელი მუხტები მოძრაობდა წრეში.
თქვენ ახლა იცით, რომ, მიუხედავად იმისა, რომ თქვენ განსაზღვრავთ მიმდინარეობას მუხტის პოზიტიური მოძრაობის მიმართულებით, სინამდვილეში, ელექტრონები მიედინება საწინააღმდეგო მიმართულებით. მაგრამ როგორ შეგიძლიათ განასხვავოთ პოზიტიური მუხტების გადაადგილება მარჯვნივ და ნეგატიური მუხტებიდან მარცხნივ, როდესაც დენი ერთნაირია?
აღმოჩნდება, რომ მოძრავი მუხტები განიცდიან ძალას გარე მაგნიტური ველის არსებობისას.
მოცემული კონდუქტორისთვის მოცემული მაგნიტური ველის თანდასწრებით, პოზიტიური მუხტები, რომლებიც მარჯვნივ მოძრაობენ, აღმავალზე გრძნობენ ძალა და, შესაბამისად, შეგროვდებოდა კონდუქტორის ზედა ბოლოს და შექმნიდა ძაბვის ვარდნას ზედა ბოლოსა და ქვედა ბოლოს შორის.
ელექტრონები, რომლებიც იმავე მაგნიტურ ველში მარცხნივ მოძრაობენ, საბოლოოდ გრძნობენ აღმავალ ძალასაც და ამრიგად, უარყოფითი მუხტი შეგროვდება გამტარ ზედა ნაწილში. ამ ეფექტს ეწოდებადარბაზის ეფექტი. გაზომვით თუ არადარბაზის ძაბვადადებითია თუ უარყოფითი, შეგიძლიათ გითხრათ რომელი ნაწილაკები არიან ნამდვილი მუხტის მატარებლები!
შესასწავლი მაგალითები
მაგალითი 1:სფეროს აქვს ერთნაირად დამუხტული ზედაპირი 0,75 C- ით. რა მანძილიდან არის დაშორებული მისი ცენტრიდან 8 მგვტ (მეგაოლტი)?
გადასაჭრელად შეგიძლიათ გამოიყენოთ განტოლება წერტილოვანი მუხტის ელექტრული პოტენციალისთვის და ამოხსნათ მანძილის მანძილზე, r:
V = \ frac {kQ} {r} \ გულისხმობს r = \ frac {kQ} {V}
ციფრების შევსება საბოლოო შედეგს გაძლევთ:
r = \ frac {kQ} {V} = \ frac {(8.99 \ ჯერ 10 ^ 9) (0.75)} {8.00 \ ჯერ 10 ^ 6} = 843 \ ტექსტი {მ}
ეს არის საკმაოდ მაღალი ძაბვა, თუნდაც წყაროდან თითქმის კილომეტრში!
მაგალითი 2:ელექტროსტატიკური საღებავის სპრეიერს აქვს 0.2 მ დიამეტრის ლითონის სფერო 25 კვ (კილოვოლტი) პოტენციალით, რომელიც მოგერიება საღებავის წვეთებს დამიწებულ ობიექტზე. (ა) რა მუხტი აქვს სფეროში? (ბ) რა მუხტი უნდა ჰქონდეს 0,1 მგ საღებავის წვეთს, რომ ობიექტზე მივიდეს 10 მ / წმ სიჩქარით?
(ა) ნაწილის გადასაჭრელად თქვენ გადააწყვეთ თქვენი ელექტრული პოტენციალის განტოლება Q– ს გადასაჭრელად:
V = \ frac {kQ} {r} \ გულისხმობს Q = \ frac {Vr} {k}
შემდეგ შეაერთეთ თქვენი ნომრები, გაითვალისწინეთ, რომ რადიუსი დიამეტრის ნახევარია:
Q = \ frac {Vr} {k} = \ frac {(25 \ ჯერ 10 ^ 3) (0.1)} {8.99 \ ჯერ 10 ^ 9} = 2.78 \ ჯერ 10 ^ {- 7} \ ტექსტი {C}
(ბ) ნაწილისთვის იყენებთ ენერგიის დაზოგვას. დაკარგული პოტენციური ენერგია ხდება მიღებული კინეტიკური ენერგია. ორი ენერგიის გამოხატვის ტოლობის დაყენებით და ამოხსნისთვისq, თქვენ მიიღებთ:
qV = \ frac {1} {2} mv ^ 2 \ გულისხმობს q = \ frac {mv ^ 2} {2V}
და ისევ, თქვენ ჩართავთ თქვენს მნიშვნელობებს, რომ მიიღოთ საბოლოო პასუხი:
q = \ frac {mv ^ 2} {2V} = \ frac {(0,1 \ ჯერ 10 ^ {- 6}) (10) ^ 2} {2 (25 \ ჯერ 10 ^ 3)} = 2 \ ჯერ 10 ^ {- 10 } \ text {C}
მაგალითი 3:კლასიკური ბირთვული ფიზიკის ექსპერიმენტში, ალფა ნაწილაკი დააჩქარეს ოქროს ბირთვისკენ. თუ ალფა ნაწილაკის ენერგია იყო 5 მეგავატი (მეგა-ელექტრონულტი), რამდენად ახლოსაა ოქროს ბირთვთან მისი გადახრა? (ალფა ნაწილაკს აქვს მუხტი +2ე, და ოქროს ბირთვს აქვს მუხტი +79ესადაც ფუნდამენტური მუხტიე = 1.602 × 10-19 გ)
Რჩევები
ელექტრონული ვოლტი (eV) არ არის პოტენციალის ერთეული!ეს არის ენერგიის ერთეული, რომელიც ექვივალენტურია ელექტრონის აჩქარებაზე 1 ვოლტიანი პოტენციური სხვაობით. 1 ელექტრონული ვოლტი =ეVolt 1 ვოლტი, სადაცეარის ძირითადი მუხტი.
ამ საკითხის გადასაჭრელად, თქვენ იყენებთ ურთიერთკავშირს ელექტროენერგეტიკულ პოტენციალსა და ელექტრო პოტენციალს შორის, პირველ რიგში გადაჭრის r
PE_ {elec} = qV = q \ frac {kQ} {r} \ გულისხმობს r = q \ frac {kQ} {PE_ {elec}}
შემდეგ დაიწყებთ მნიშვნელობების ჩართვას, ძალზე ფრთხილად იყავით ერთეულების მიმართ.
r = q \ frac {kQ} {PE_ {elec}} = 2e \ frac {(8.99 \ ჯერ 10 ^ 9 \ ტექსტი {Nm} ^ 2 / \ ტექსტი {C} ^ 2) (79 e)} {5 \ ჯერ 10 ^ 6 \ ტექსტი {eV}}
ახლა თქვენ იყენებთ იმ ფაქტს, რომ 1 ელექტრონი ვოლტი =ეVolt 1 ვოლტი შემდგომი გამარტივების მიზნით და ჩართეთ დარჩენილი რიცხვი, რომ მიიღოთ საბოლოო პასუხი:
r = 2e \ frac {(8.99 \ ჯერ 10 ^ 9 \ ტექსტი {Nm} ^ 2 / \ ტექსტი {C} ^ 2) (79 \ გააუქმოს {e})} {5 \ ჯერ 10 ^ 6 \ გააუქმოს {\ ტექსტი {eV }} \ text {V}} \\ \ text { } \\ = 2 (1.602 \ ჯერ 10 ^ {- 19} \ ტექსტი {C}) \ frac {(8.99 \ ჯერ 10 ^ 9 \ ტექსტი {Nm} ^ 2 / \ ტექსტი {C} ^ 2) (79)} {5 \ ჯერ 10 ^ 6 \ ტექსტი {V}} \\ \ ტექსტი { } \\ = 4.55 \ ჯერ 10 ^ {- 14} \ ტექსტი {მ}
შედარებისთვის, ოქროს ბირთვის დიამეტრი დაახლოებით 1,4 × 10-ია-14 მ