Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια

Η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια είναι μια δυναμική ενέργεια που μετράται σε τζάουλ. Προκύπτει από τις συντηρητικές δυνάμεις Coulomb. Συνδέεται με τη διαμόρφωση ενός συγκεκριμένου συνόλου σημειακών χρεώσεων μέσα σε ένα καθορισμένο σύστημα. Οποιοδήποτε αντικείμενο μπορεί να έχει ηλεκτρική δυναμική ενέργεια μέσω δύο βασικών στοιχείων:του δικού του ηλεκτρικού φορτίου και της σχετικής του θέσης με ένα άλλο ηλεκτρικά φορτισμένο αντικείμενο. Μπορεί επίσης να οριστεί εναλλακτικά ως η συνολική εργασία που γίνεται από έναν εξωτερικό πράκτορα για να φέρει το φορτίο ή το σύστημα φορτίσεων από το άπειρο στην παρούσα διαμόρφωση χωρίς να υποστεί καμία επιτάχυνση.

Ορισμός ηλεκτρικής δυναμικής ενέργειας

Ένα αντικείμενο διαθέτει ηλεκτρική δυναμική ενέργεια χάρη σε δύο στοιχεία:το φορτίο που διαθέτει το ίδιο το αντικείμενο και τη σχετική θέση του αντικειμένου σε σχέση με άλλα ηλεκτρικά φορτισμένα αντικείμενα. Το μέγεθος του ηλεκτρικού δυναμικού εξαρτάται από τη συνολική εργασία που γίνεται για να μετακινηθεί το αντικείμενο από το ένα σημείο στο άλλο ενάντια στο ηλεκτρικό πεδίο. Όταν ένα αντικείμενο κινείται ενάντια στο ηλεκτρικό πεδίο, θα αποκτήσει κάποια ενέργεια που στη συνέχεια ορίζεται ως η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια αυτού του αντικειμένου. Για να ληφθεί η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια για οποιοδήποτε φορτίο, η δυναμική ενέργεια διαιρείται με την ποσότητα του φορτίου. Είναι πιο βολικό στον ηλεκτρισμό να χρησιμοποιείται η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια ανά μονάδα φόρτισης, η οποία ονομάζεται ηλεκτρικό δυναμικό ή τάση.

Μηδενικό δυναμικό

Το σημείο μηδέν είναι αυθαίρετο στη φύση του δυναμικού. Μπορεί να οριστεί ως η αρχή ενός συστήματος συντεταγμένων. Δεν είναι ασήμαντο? Μόλις καθοριστεί, τότε όλες οι τιμές του δυναμικού μετρώνται ως προς το μηδέν. Εναλλακτικά, είναι η αλλαγή στο δυναμικό που έχει και φυσική σημασία. Το μηδέν του ηλεκτρικού δυναμικού ορίζεται συνήθως για λόγους ευκολίας. Αλλά, συνήθως, κάποια φυσική ή γεωμετρική λογική υπάρχει στην επιλογή του σημείου μηδέν. Λογικά, το σημείο μηδέν θα πρέπει να οριστεί στο άπειρο για ένα άπειρο φορτίο γραμμής. Αυτό συμβαίνει επειδή οι τοπικές τιμές του δυναμικού θα πήγαιναν στο άπειρο. Το δυναμικό γείωσης λαμβάνεται ως μηδέν για πρακτικά ηλεκτρικά κυκλώματα.

Διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού

Η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού ορίζεται ως η διαφορά στο ηλεκτρικό δυναμικό μεταξύ της τελικής και της αρχικής θέσης όταν γίνεται εργασία με μια φόρτιση για αλλαγή της δυνητικής ενέργειας. Η τυπική μετρική μονάδα για αυτό είναι το Volt ή V. Πήρε το όνομά του από τον Alessandro Volta. Ένα Volt ισούται με ένα Joule ανά Coulomb. Δεδομένου ότι η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ δύο τοποθεσιών είναι ένα Volt, τότε ένα Κουλόμπ φορτίου κερδίζει ένα τζάουλ δυναμικής ενέργειας καθώς κινείται μεταξύ αυτών των θέσεων. Η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού αναφέρεται επίσης μερικές φορές ως τάση επειδή εκφράζεται σε μονάδες Volt.

Μαθηματικά, μπορεί να δηλωθεί ως

     E=W/Q

Εδώ, Ε είναι η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ δύο σημείων

W είναι η εργασία που γίνεται για τη μεταφορά φορτίου από το ένα σημείο στο άλλο

Και το Q υποδηλώνει την ποσότητα φόρτισης σε Coulombs.

Ηλεκτρικό δυναμικό λόγω πολλαπλών φορτίσεων

Το ηλεκτρικό δυναμικό σε ένα σημείο του χώρου που παράγεται από οποιονδήποτε αριθμό σημειακών φορτίων υπολογίζεται από την έκφραση σημειακού φορτίου. Αυτό γίνεται χρησιμοποιώντας απλή πρόσθεση καθώς η τάση είναι μια κλιμακωτή ποσότητα. Το δυναμικό από μια συνεχή κατανομή φόρτισης προκύπτει από την άθροιση των συνεισφορών από κάθε σημείο της χρέωσης πηγής. Ο υπολογισμός του δυναμικού είναι απλούστερος από το διανυσματικό άθροισμα που απαιτείται για τον υπολογισμό του ηλεκτρικού πεδίου. Το ηλεκτρικό δυναμικό λόγω πολλαπλών φορτίων προκύπτει με τον υπολογισμό της δυναμικής ενέργειας για κάθε ζεύγος φορτίων χωριστά και στη συνέχεια προσθέτοντας τα αποτελέσματά τους αλγεβρικά.

Ηλεκτρικό δυναμικό λόγω σημειακής φόρτισης

Εξ ορισμού, το ηλεκτρικό δυναμικό είναι ηλεκτρική δυναμική ενέργεια ανά μονάδα φόρτισης. Η μαθηματική έκφραση είναι V=PE/q. Το ηλεκτρικό δυναμικό λέει σε κάποιον πόση δυναμική ενέργεια διαθέτει ένα μεμονωμένο φορτίο σημείου σε οποιαδήποτε δεδομένη τοποθεσία. Το ηλεκτρικό δυναμικό σε ένα σημείο είναι ισοδύναμο με την ηλεκτρική δυναμική ενέργεια οποιουδήποτε φορτισμένου σωματιδίου σε αυτή τη θέση διαιρούμενο με το φορτίο του σωματιδίου. Εφόσον το φορτίο του δοκιμαστικού σωματιδίου διαιρείται, το ηλεκτρικό δυναμικό γίνεται μια «ιδιότητα» που σχετίζεται με το ίδιο το ηλεκτρικό πεδίο. Βασικά, εφόσον το PE εξαρτάται από το q, το q στην παραπάνω εξίσωση ακυρώνεται, οπότε το V δεν εξαρτάται από το q. Η διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο σημείων ονομάζεται συχνά τάση.

Ηλεκτροστατική δυναμική ενέργεια συστήματος δύο σημειακών φορτίων

Ο ορισμός της ηλεκτροστατικής δυναμικής ενέργειας ενός συστήματος σημειακών φορτίων είναι η εργασία που απαιτείται για τη συναρμολόγηση του συστήματος φορτίων αφού τα φέρουν πιο κοντά.

Τύπος: 

UE=kq1q2r

UE=ηλεκτρική δυναμική ενέργεια

k=Σταθερά Coulomb

q1,q2 =χρεώσεις

r =απόσταση διαχωρισμού

Ηλεκτροστατικό πεδίο

Ένα ηλεκτροστατικό πεδίο συνδέεται με στατικά ηλεκτρικά φορτία. Είναι ένα ηλεκτρικό πεδίο που δεν αλλάζει με το χρόνο. Ένα ηλεκτροστατικό πεδίο υπάρχει όταν τα συστήματα φορτισμένης ύλης είναι ακίνητα ή σε περιπτώσεις αμετάβλητων ηλεκτρικών ρευμάτων. Ο νόμος του Coulomb περιγράφει λοιπόν πλήρως το πεδίο σε τέτοιες περιπτώσεις. Τα ηλεκτροστατικά πεδία διαφέρουν από τα ηλεκτρικά πεδία. Τα ηλεκτρικά πεδία παράγονται με ακίνητο φορτίο. Εάν ένα ηλεκτρικό πεδίο παράγεται από ένα κινούμενο φορτίο και ταλαντούμενο ηλεκτρικό πεδίο σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα, δεν μπορεί να ονομαστεί ηλεκτροστατικό πεδίο. Ας υποθέσουμε ότι υπάρχουν δύο σημεία σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, το q και το Q. Για να μετακινηθεί το q πιο κοντά στο Q, χρειάζεται να πιέσουμε το q αρκετά δυνατά ώστε να υπερνικήσει την απωστική ηλεκτρική δύναμη. Έτσι εφαρμόζουμε αρκετή δύναμη για να ξεπεράσουμε την απωστική δύναμη που δημιουργείται από το Q.

Συμπέρασμα:

Η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια μετριέται σε joule. Είναι μια δυναμική ενέργεια και προκύπτει από συντηρητικές δυνάμεις Coulomb. Μπορεί επίσης να οριστεί ως η εργασία που γίνεται από εξωτερικούς πράκτορες για να φέρουν το φορτίο ή το σύστημα φορτίων από το άπειρο στην παρούσα διαμόρφωση. Το μέγεθος του ηλεκτρικού δυναμικού εξαρτάται από την ποσότητα της εργασίας που γίνεται για να μετακινηθεί το αντικείμενο από το ένα σημείο στο άλλο ενάντια στο ηλεκτρικό πεδίο. Ονομάζεται επίσης ως τάση. Μαθηματικά, η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού δηλώνεται ως E=W/Q. Το ηλεκτρικό δυναμικό λόγω πολλαπλών φορτίων προκύπτει με τον υπολογισμό της δυναμικής ενέργειας για κάθε ζεύγος φορτίων χωριστά και στη συνέχεια προσθέτοντας τα αποτελέσματά τους. Αυτό το άρθρο μιλά για τις έννοιες της ηλεκτρικής δυναμικής ενέργειας και της διαφοράς ηλεκτρικού δυναμικού.