Madame Lelica

När en gratis positiv laddning q accelereras av ett elektriskt fält, såsom visas i Figur 1, ges den kinetisk energi. Processen är analog med ett objekt som accelereras av ett gravitationsfält. Det är som om laddningen går ner en elektrisk kulle där dess elektriska potentiella energi omvandlas till kinetisk energi., Låt oss undersöka det arbete som utförts på en laddning q av det elektriska fältet i denna process, så att vi kan utveckla en definition av elektrisk potentiell energi.

den elektrostatiska eller Coulomb-kraften är konservativ, vilket innebär att arbetet på q är oberoende av den väg som tagits. Detta är exakt analogt med gravitationskraften i frånvaro av dissipativa krafter som friktion., När en kraft är konservativ är det möjligt att definiera en potentiell energi i samband med kraften, och det är vanligtvis lättare att hantera den potentiella energin (eftersom det bara beror på position) än att beräkna arbetet direkt.

vi använder bokstäverna PE för att beteckna elektrisk potentiell energi, som har enheter av joule (J). Förändringen i potentiell energi, ΔPE, är avgörande, eftersom arbetet med en konservativ kraft är det negativa av förändringen i potentiell energi; det vill säga W = – ΔPE., Till exempel är arbetet med att påskynda en positiv laddning från Vila positivt och resulterar från en förlust i PE eller en negativ ΔPE. Det måste finnas ett minustecken framför ΔPE för att göra W positiv. PE kan hittas när som helst genom att ta en punkt som referens och beräkna det arbete som behövs för att flytta en avgift till den andra punkten.

gravitationspotential energi och elektrisk potentiell energi är ganska analoga. Potentiell energi står för arbete som utförs av en konservativ kraft och ger ökad insikt om energi-och energiomvandling utan att det är nödvändigt att hantera kraften direkt. Det är mycket vanligare, till exempel att använda begreppet spänning (relaterat till elektrisk potentiell energi) än att hantera Coulomb-kraften direkt.,

att beräkna arbetet direkt är i allmänhet svårt, eftersom W = fd cos θ och riktningen och storleken på F kan vara komplexa för flera laddningar, för udda formade objekt och längs godtyckliga vägar. Men vi vet att eftersom f = qE, arbetet och därmed ΔPE, är proportionellt mot testladdningen q. för att ha en fysisk kvantitet som är oberoende av testladdning definierar vi elektrisk potential V (eller helt enkelt potential, eftersom elektrisk förstås) för att vara den potentiella energin per enhetsladdning v=\frac{\text{PE}}{q}\\.,

eftersom PE är proportionell mot q avbryter beroendet av q. Således V beror inte på q., Förändringen i potentiell energi ΔPE är avgörande, och därför är vi oroade över skillnaden i potentiell eller potentiell skillnad ΔV mellan två punkter, där

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

den potentiella skillnaden mellan punkterna A och B, VB − VA, definieras således som förändringen i potentiell energi för en laddning q flyttad från A till B, dividerad med laddningen. Enheter av potentiell skillnad är joules per coulomb, med namnet volt (V) efter Alessandro Volta.,

1\text{v}=1\frac{\text{J}}{\text{c}}\\ \

den välbekanta termen spänning är det gemensamma namnet för potentiell skillnad. Tänk på att när en spänning är citerad, förstås det att vara den potentiella skillnaden mellan två punkter. Till exempel har varje batteri två terminaler, och dess spänning är den potentiella skillnaden mellan dem. Mer fundamentalt är den punkt du väljer att vara noll volt godtycklig. Detta är analogt med det faktum att gravitationspotentialenergi har en godtycklig noll, till exempel havsnivå eller kanske ett föreläsningssalgolv.,

spänningen är inte densamma som energi. Spänning är energin per enhet laddning. Således kan ett motorcykelbatteri och ett bilbatteri båda ha samma spänning (mer exakt samma potentiella skillnad mellan batteriterminaler), men man lagrar mycket mer energi än den andra eftersom ΔPE = qΔV. Bilbatteriet kan flytta mer laddning än motorcykelbatteriet, även om båda är 12 V-batterier.

Observera att de energier som beräknats i föregående exempel är absoluta värden. Förändringen i potentiell energi för batteriet är negativ, eftersom den förlorar energi., Dessa batterier, som många elektriska system, flyttar faktiskt negativa laddningselektroner i synnerhet. Batterierna stöter bort elektroner från deras negativa terminaler (a) genom alla kretsar som är inblandade och lockar dem till deras positiva terminaler (B) som visas i Figur 2. Förändringen i potentialen är ΔV = VB-VA = +12 V och laddningen q är negativ, så att ΔPE = qΔV är negativ, vilket betyder att batteriets potentiella energi har minskat när q har flyttat från A till B.

Elektronvolten

energin per elektron är mycket liten i makroskopiska situationer som i föregående exempel—en liten del av en joule. Men på en submikroskopisk skala kan sådan energi per partikel (elektron, proton eller jon) vara av stor betydelse., Till exempel kan även en liten del av en joule vara tillräckligt stor för att dessa partiklar ska förstöra organiska molekyler och skada levande vävnad. Partikeln kan göra sin skada genom direkt kollision, eller det kan skapa skadliga röntgenstrålar, vilket också kan orsaka skador. Det är användbart att ha en energienhet relaterad till submikroskopiska effekter. Figur 3 visar en situation relaterad till definitionen av en sådan energienhet. En elektron accelereras mellan två laddade metallplattor som det kan vara i en gammal modell tv-rör eller oscilloskop., Elektronen ges kinetisk energi som senare omvandlas till en annan form—ljus i TV-röret, till exempel. (Observera att nedförsbacke för elektronen är uppförsbacke för en positiv laddning.) Eftersom energi är relaterade till spänningen genom att ΔPE = qΔV, kan vi tänka i joule som en coulomb volt.

på den submikroskopiska skalan är det bekvämare att definiera en energienhet som kallas elektronvolten (eV), vilken är den energi som ges till en grundläggande laddning accelererad genom en potentiell skillnad på 1 V., I ekvationsform ges

en elektron accelererad genom en potentiell skillnad på 1 V en energi på 1 eV. Det följer att en elektron accelererad genom 50 V ges 50 eV. En potentiell skillnad på 100,000 V (100 kV) kommer att ge en elektron en energi på 100,000 eV (100 keV), och så vidare. På samma sätt kommer en jon med en dubbel positiv laddning accelererad genom 100 V att ges 200 eV energi. Dessa enkla relationer mellan accelererande spänning och partikelavgifter gör elektronvolten till en enkel och bekväm energienhet under sådana omständigheter.,

elektronvolten används ofta i submikroskopiska processer—kemiska valensenergier och molekylära och kärnbindande energier är bland de kvantiteter som ofta uttrycks i elektronvolt. Till exempel krävs cirka 5 eV energi för att bryta upp vissa organiska molekyler. Om en proton accelereras från Vila genom en potentiell skillnad på 30 kV, ges den en energi på 30 keV (30 000 eV) och den kan bryta upp så många som 6000 av dessa molekyler (30 000 ev 5 eV per molekyl= 6000 molekyler)., Kärnförfallsenergier är i storleksordningen 1 MeV (1,000,000 eV) per händelse och kan sålunda producera betydande biologiska skador.

bevarande av energi

systemets totala energi bevaras om det inte finns någon nettotillsats (eller subtraktion) av arbete eller värmeöverföring. För konservativa krafter, såsom den elektrostatiska kraften, säger bevarande av energi att mekanisk energi är en konstant.

mekanisk energi är summan av kinetisk energi och potentiell energi i ett system; det vill säga KE+PE = konstant. En förlust av PE av en laddad partikel blir en ökning av dess KE., Här är PE den elektriska potentiella energin. Bevarande av energi anges i ekvationsform som KE + PE = konstant eller KEi + PE i = KEf + PEf, där i och f står för initiala och slutliga förhållanden. Som vi har hittat många gånger tidigare, med tanke på energi kan ge oss insikter och underlätta problemlösning.

avsnitt sammanfattning