By Leave a Comment on Fysikk (Norsk)

Mål

Ved slutten av denne delen, vil du være i stand til å:

  • Definere elektrisk potensial og elektrisk potensiell energi.
  • Beskrive forholdet mellom potensiell forskjell og elektrisk potensiell energi.
  • Forklare elektron volt og dens bruk i submicroscopic prosessen.
  • Bestemme elektrisk potensiell energi gitt potensiell forskjell og mengde energi.

Figur 1., En kostnad akselerert av et elektrisk felt er analogt til en masse å gå ned en bakke. I begge tilfeller potensiell energi er konvertert til en annen form. Arbeidet er gjort av en kraft, men siden denne styrken er konservative, vi kan skrive W = –ΔPE.

Når en gratis positive ladningen q er fremskyndet av et elektrisk felt, slik som vist i Figur 1, er det gitt kinetisk energi. Prosessen er analogt til et objekt blir akselerert av et gravitasjonsfelt. Det er som om kostnad går ned en elektrisk hill, der elektrisk potensiell energi omformes til kinetisk energi., La oss utforske det arbeid som gjøres på en ladning q av det elektriske feltet i denne prosessen, slik at vi kan utvikle en definisjon av elektrisk potensiell energi.

elektrostatisk eller Coulomb force er konservative, noe som betyr at arbeidet som er gjort på q er uavhengige av banen tatt. Dette er akkurat analogt til gravitasjonskraft i fravær av dissipative styrker som friksjon., Når en kraft er konservativ, er det mulig å definere en potensiell energi assosiert med styrke, og det er vanligvis enklere å håndtere potensiell energi (fordi det avhenger bare på posisjon) enn å beregne arbeid direkte.

Vi bruke bokstaver PE for å betegne elektrisk potensiell energi, som har enheter i joule (J). Endring i potensiell energi, ΔPE, er avgjørende, siden arbeidet gjort av en konservativ kraft er negative til endring i potensiell energi, det er, W = –ΔPE., For eksempel, arbeid W gjort for å akselerere en positiv ladning fra resten er positiv og resultater fra et tap i PE, eller en negativ ΔPE. Det må være et minus-tegn foran ΔPE å gjøre W positive. PE kan bli funnet på noe som helst tidspunkt ved å ta ett poeng som en referanse og beregning av det arbeidet som trengs for å flytte en ladning til det andre punktet.

Potensiell Energi

W = –ΔPE. For eksempel, arbeid W gjort for å akselerere en positiv ladning fra resten er positiv og resultater fra et tap i PE, eller en negativ ΔPE. Det må være et minus-tegn foran ΔPE å gjøre W positive., PE kan bli funnet på noe som helst tidspunkt ved å ta ett poeng som en referanse og beregning av det arbeidet som trengs for å flytte en ladning til det andre punktet.

Gravitasjonsfelt potensiell energi og elektrisk potensiell energi er ganske analogt. Potensiell energi-kontoer for arbeid utført av en konservativ kraft, og gir økt innsikt om energi og energi transformasjon uten nødvendigheten av å håndtere kraft direkte. Det er mye mer vanlig, for eksempel for å bruke begrepet spenning (relatert til elektrisk potensiell energi) enn å håndtere Coulomb kraft direkte.,

Beregning av arbeidet direkte er generelt vanskelig, siden W = Fd cos θ og retningen og omfanget av F kan være komplisert for flere belastninger, for odd-formet objekter, og sammen vilkårlig stier. Men vi vet at siden F = qE, arbeid, og dermed ΔPE, er proporsjonal til test ladning q. Å ha en fysisk størrelse som er uavhengig av test kostnad, vi definerer elektrisk potensial V (eller rett og slett potensial, fordi elektriske er forstått) for å være potensielle energi per enhet kostnad V=\frac{\text{PE}}{q}\\.,

Elektrisk Potensial

Dette er elektrisk potensiell energi per enhet kostnad.

\displaystyle{V}=\frac{\text{PE}}{q}\\

Siden PE er proporsjonal til q , avhengighet på q for å avbryte. Dermed V ikke er avhengig av at sp., Endring i potensiell energi ΔPE er avgjørende, og så er vi opptatt av forskjellen i potensiell eller potensiell forskjell ΔV mellom to punkter, der

\displaystyle\Delta{V}=V_{\text{B}}-V_{\text{A}}=\frac{\Delta{\text{PE}}}{q}\\

potensialforskjellen mellom punktene A og B, VB − VA, er dermed definert til å være den endring i potensiell energi for en belastning q flyttet fra A til B, delt på lade. Enheter av potensielle forskjellen er joule per coulomb, gitt navnet volt (V) etter at Alessandro Volta.,

1\text{V}=1\frac{\text{J}}{\text{D}}\\

Det kjent begrep spenning er det vanlige navnet for potensiell forskjell. Husk at når en spenning som er sitert, det er forstått å være den potensielle forskjellen mellom to punkter. For eksempel, hver batteriet har to terminaler, og spenningen er den potensielle forskjellen mellom dem. Mer fundamentalt, er det punktet du velger å være null volt er vilkårlig. Dette er analogt til det faktum at gravitasjonsfelt potensiell energi har en vilkårlig null, slik som havet eller kanskje en forelesningssal etasje.,

Spenning er ikke det samme som energi. Spenningen er energi per enhet kostnad. Dermed en motorsykkel batteri og en bil batteri som kan begge har samme spenning (mer presist, den samme potensielle forskjellen mellom batteripolene), men man lagrer mye mer energi enn den andre siden ΔPE = qΔV. Bilen batteriet kan flytte mer strøm enn motorsykkel batteriet, selv om begge er 12 V batterier.

Merk at energiene som er beregnet i forrige eksempel er absolutte verdier. Endring i potensiell energi for batteriet er negativt, siden det mister energi., Disse batteriene, som mange elektriske systemer, faktisk flytte negativ ladning—elektroner i særdeleshet. Batteriene frastøte elektroner fra sine negative polen (En) gjennom hva kretsene er involvert og tiltrekke dem til deres positive terminaler (B) som vist i Figur 2. Endring i potensiell er ΔV = VB – VA = +12 V og ladningen q er negativ, slik at ΔPE = qΔV er negativ, betyr at den potensielle energien i batteriet har redusert når q har flyttet fra A til B.

Figur 2., Et batteri beveger seg negativ ladning fra den negative polen gjennom en lyskaster til sine positive terminalen. Aktuelle kombinasjoner av kjemikalier i batteriet separat kostnader slik at den negative terminalen har et overskudd av negativ ladning, som er frastøtt av det og tiltrukket av det overskytende positiv ladning på den andre terminalen. I forhold til potensialet, den positive terminalen er på et høyere spenning enn det negative. Inne i batteriet, både positive og negative ladninger flytte.

Elektron Volt

Figur 3., En typisk electron pistol akselererer elektronene ved hjelp av en potensiell forskjell mellom to metallplater. Energien til elektronet i elektron volt er tallmessig den samme som spenningen mellom platene. For eksempel, en 5000 V potensiell forskjell produserer 5000 eV elektroner.

energi per elektron er svært liten i makroskopiske situasjoner som i forrige eksempel—en liten brøkdel av en joule. Men på en submicroscopic skala, slik energi per partikkel (elektron, proton, eller ion) som kan være av stor betydning., For eksempel, selv en liten brøkdel av et joule kan være gode nok for disse partiklene til å ødelegge organiske molekyler og skade levende vev. Partikkelen kan gjøre sitt skader som skyldes direkte kollisjon, eller det kan skape skadelige x-stråler, som også kan påføre skade. Det er nyttig å ha en energi-enhet knyttet til submicroscopic effekter. Figur 3 viser en situasjon knyttet til definisjon av slik energi-enhet. Et elektron akselereres mellom to belastet metall plater som det kan være i en gammel-modellen tv-tube eller oscilloskop., Elektronet er gitt kinetisk energi som er senere omgjort til en annen form—lys i tv-rør, for eksempel. (Merk at nedoverbakke for elektronet er oppoverbakke for en positiv ladning.) Siden energi er knyttet til spenningen ved ΔPE = qΔV, kan vi tenke på joule som en coulomb-volt.

På submicroscopic skala, det er mer praktisk å definere en energi-enhet kalt elektron volt (eV), som er den energien som er gitt til en grunnleggende lade akselerert gjennom en potensiell forskjell på 1 V., I ligningen form,

Et elektron akselereres gjennom en potensiell forskjell på 1 V er gitt en energi på 1 eV. Det følger av dette at et elektron akselereres gjennom 50 V er gitt 50 eV. En potensiell forskjell på 100.000 V (100 kV) vil gi et elektron en energi på 100.000 eV (100 keV), og så videre. På samme måte, et ion med en dobbel positiv ladning akselerert gjennom 100 V vil bli gitt 200 eV av energi. Disse enkle relasjoner mellom akselererende spenning og partikkel gebyrer gjøre elektron volt en enkel og praktisk energi-enhet i slike situasjoner.,

tilkobling: Energi Enheter

elektron volt (eV) er den vanligste energi-enhet for submicroscopic prosesser. Dette vil være spesielt merkbar i kapitlene om moderne fysikk. Energi er så viktig for så mange fag som det er en tendens til å definere en spesiell energi-enhet for hver store emne. Det er, for eksempel, kalorier for mat energi, kilowatt-timer for elektrisk energi, og therms for naturgass energi.,

elektron volt er vanlig ansatt i submicroscopic prosesser—kjemiske valence energier og molekylær-og kjernefysiske bindende energier er blant de mengder, ofte uttrykt i elektron volt. For eksempel, om 5 eV av energi er nødvendig for å bryte opp visse organiske molekyler. Hvis et proton er akselerert fra resten gjennom en potensiell forskjell på 30 kV, det er gitt en energi 30 keV (30,000 eV), og det kan bryte opp så mange som 6000 av disse molekylene (30,000 eV ÷ 5 eV per molekyl= 6000 molekyler)., Kjernefysiske forfall energier er på ordre over 1 MeV (1 000 000 i eV) per hendelse og kan dermed produsere betydelige biologiske skader.

Bevaring av Energi

Den totale energien i et system som er bevart hvis det er ingen netto tillegg (eller subtraksjon) av arbeid eller til å overføre varme. For konservative krefter, som for eksempel elektrostatisk kraft, bevaring av energi sier at mekanisk energi er en konstant.

Mekanisk energi er summen av kinetisk energi og potensiell energi i et system, det er, KE+PE = konstant. Et tap av PE av en ladet partikkel blir en økning i sin KE., Her PE er elektrisk potensiell energi. Bevaring av energi er angitt i ligningen form som KE + PE = konstant eller KEi + PE jeg = KEf + PEf, hvor jeg og f står for første og siste forhold. Som vi har funnet mange ganger før, med tanke på energi kan gi oss innsikt og legge til rette for problemløsning.

– Delen Oppsummering

Konseptuelle Spørsmål

  1. Spenning er det vanlige ordet for potensiell forskjell. Som begrep er mer beskrivende, spenning eller potensiell forskjell?,
  2. Hvis spenningen mellom to punkter er null, kan en test lade flyttes mellom dem med null netto arbeidet som blir gjort? Kan dette nødvendigvis gjøres uten å utøve en kraft? Forklare.
  3. Hva er forholdet mellom spenning og energi? Mer presist, hva er forholdet mellom potensiell forskjell og elektrisk potensiell energi?
  4. Spenning er alltid måles mellom to punkter. Hvorfor?
  5. Hvordan er enheter av volt og elektron volt i slekt? Hvordan er de forskjellige?,

Problemer & Øvelser

  1. Finn forholdet mellom hastighet av et elektron og et negativt hydrogen ion (en som har et ekstra elektron) akselerert gjennom den samme spenningen, forutsatt at ikke-relativistiske siste hastigheter. Ta massen av hydrogen ion-å være 1.67 × 10-27 kg.
  2. En evakuerte tube bruker en akselererende spenning på 40 kV for å akselerere elektroner til å treffe en kobber plate og produsere x-stråler. Ikke-relativistically, hva som ville være det maksimale hastigheten på disse elektronene?
  3. En bare helium i kjernen har to positive ladninger og en masse av 6.,64 × 10-27 kg. (a) Beregne kinetisk energi i joule på 2.00% av lysets hastighet. (b) Hva er dette i elektron volt? (c) Hva spenning ville være nødvendig for å få tak i denne energien?
  4. Integrerte Konsepter. Enkeltvis ladet gass ioner er akselerert fra resten gjennom en spenning på 13,0 V. Ved hvilken temperatur vil den gjennomsnittlige kinetiske energien til gass molekyler være den samme som gitt disse ioner?
  5. Integrerte Konsepter. Temperaturen nær sentrum av Solen er antatt å være 15 millioner grader Celsius (1.5 × 107 ºC)., Gjennom det spenning må en enkeltvis ladet ion fremskyndes til å ha samme energi som den gjennomsnittlige kinetiske energien av ioner ved denne temperaturen?
  6. Integrerte Konsepter. (a) Hva er gjennomsnittlig effekt for hjerte-defibrillator som forsvinner 400 J av energi 10,0 ms? (b) ta hensyn til høy utgangseffekt, hvorfor ikke defibrillator produsere alvorlige brannskader?
  7. Integrerte Konsepter. Et lyn slår et tre, flytte 20.0 C i løp gjennom en potensiell forskjell 1,00 × 102 MV. (a) Hva energien var borte?, (b) Hva massen av vann kan være hevet fra 15 til kokepunktet og deretter kokt av denne energien? (c) Drøft skade som kan være forårsaket til treet ved utvidelsen av den kokende damp.
  8. Integrerte Konsepter. En 12.0 V batteridrevet flaske varmere varmer opp for 50,0 g av glass, 2.50 × 102 g av baby formel og 2.00 × 102 g av aluminium fra 20,0 ºC til 90.0 ºC. (a) Hvor mye strøm som er flyttet av batteriet? (b) Hvor mange elektroner per sekund flow hvis det tar 5.00 min å varme formelen? (Hint: Anta at den spesifikke varmen av baby formel er omtrent det samme som den spesifikke varmen fra vannet.,)
  9. Integrerte Konsepter. En batteridrevet bil benytter en 12.0 V-system. Finn lade batteriene må være i stand til å flytte for å akselerere 750 kg bil fra resten til 25.0 m/s, gjør det klatre en 2.00 × 102 m høy høyde, og så få det til å reise på en konstant 25.0 m/s ved å utøve en 5.00 × 102 N force for en time.
  10. Integrerte Konsepter. Fusion sannsynligheten er kraftig forbedret når det er hensiktsmessig kjerner er brakt tett sammen, men gjensidig Coulomb frastøting må overvinnes., Dette kan gjøres ved hjelp av kinetisk energi av høy-temperatur-gass-ioner, eller ved å fremskynde kjerner mot hverandre. (a) Beregne potensiell energi av to enkeltvis belastet kjerner atskilt av 1.00 × 10-12 m ved å finne spenning i en avstand, og multiplisere med ansvaret for den andre. (b) Ved hvilken temperatur vil atomer av en gass har en gjennomsnittlig kinetisk energi lik dette nødvendig elektrisk potensiell energi?
  11. Urimelige Resultater. (en) Finn spenning i nærheten av en 10,0 cm diameter metall sfære som har 8.00 C av overskudd av positiv ladning på det., (b) Hva er urimelig om dette resultatet? (c) Hvilke forutsetninger er ansvarlig?
  12. Konstruere Ditt Eget Problem. Vurdere et batteri som brukes til å levere energi til en mobiltelefon. Konstruere et problem der du bestemme energien som må tilføres fra batteriet, og deretter beregne mengden av lade det må være i stand til å flytte for å levere denne energien. Blant de ting å bli vurdert er energi behov og batterispenning. Du kan få behov for å se fremover til å tolke produsentens batteriet vurderinger i ampere-timer som energi i joule.,>

    Ordliste

    elektrisk potensial: potensiell energi per enhet kostnad

    potensiell forskjell (eller spenning): endring i potensiell energi for en belastning flyttet fra ett punkt til et annet, delt på lade; enheter av potensielle forskjellen er joule per coulomb, kjent som volt

    elektron volt: energi gitt til en grunnleggende lade akselerert gjennom en potensiell forskjell på én volt

    mekanisk energi: summen av kinetisk energi og potensiell energi i et system; denne summen er en konstant

    Valgte Løsninger til Problemer & Øvelser

    1., 42.8

    4. 1.00 × 105 K

    6. (en) 4 × 104 W; (b) En defibrillator ikke forårsake alvorlige brannskader fordi huden leder strøm godt ved høye spenninger, som de som brukes i defibrillator. Gelen brukes aids i overføring av energi til kroppen, og huden ikke absorberer energi, men heller lar det passere gjennom til hjertet.

    8. (en) 7.40 × 103 C; (b) 1.54 × 1020 elektroner per sekund

    9. 3.89 × 106 C

    11. (en) 1.44 × 1012 V; (b) Denne spenningen er svært høy. En 10,0 cm diameter sfære aldri kunne opprettholde denne spenning; det ville utflod; (c) En 8.,00 C kostnad er mer strøm enn det med rimelighet kan være samlet inn på en sfære av den størrelsen.

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert. Obligatoriske felt er merket med *