Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια ενός συστήματος

Γενικά, η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια, είναι η δυναμική ενέργεια (μετρούμενη σε joule) που προκύπτει από τη συντηρητική δύναμη Coulomb και σχετίζεται με τη διαμόρφωση ενός συγκεκριμένου συνόλου σημειακών φορτίων μέσα σε ένα καθορισμένο σύστημα. Ένα αντικείμενο μπορεί να έχει ηλεκτρική δυναμική ενέργεια λόγω δύο βασικών παραγόντων:Το δικό του ηλεκτρικό φορτίο και η σχετική του θέση σε σχέση με άλλα ηλεκτρικά φορτισμένα αντικείμενα.

Ο όρος «ηλεκτρική δυναμική ενέργεια» χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη δυναμική ενέργεια σε συστήματα με ποικίλους βαθμούς ηλεκτρικού πεδίου, ενώ ο όρος «ηλεκτροστατική δυναμική ενέργεια» χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη δυναμική ενέργεια σε συστήματα με στατικά ή αμετάβλητα ηλεκτρικά πεδία.

Ορισμός

Γενικά, η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια ενός συστήματος σημειακών φορτίων ορίζεται ως η εργασία που απαιτείται για τη συναρμολόγηση αυτού του συστήματος φορτίων φέρνοντάς τα πιο κοντά, όπως στο σύστημα που προέρχεται από άπειρη απόσταση.

Εναλλακτικά, η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια οποιουδήποτε δεδομένου φορτίου ή συστήματος φόρτισης ονομάζεται το καθαρό έργο που εκτελείται από έναν εξωτερικό παράγοντα για να φέρει το φορτίο ή ένα σύστημα φορτίου από την άπειρη στην παρούσα διαμόρφωση χωρίς να υποστεί καμία επιτάχυνση.

Η ηλεκτροστατική δυναμική ενέργεια, U, ενός σημειακού φορτίου q στη θέση r παρουσία ηλεκτρικού πεδίου Ε ορίζεται ως το αρνητικό του έργου W που γίνεται από την ηλεκτροστατική δύναμη για να το φέρει από τη θέση αναφοράς rref στη θέση r.

Μαθηματικά, αναπαρίσταται ως:

Εδώ, Ε είναι το ηλεκτροστατικό πεδίο.

dr είναι το διάνυσμα μετατόπισης.

Αποθηκευμένη ενέργεια σε σύστημα φόρτισης ενός σημείου

Η ηλεκτροστατική δυναμική ενέργεια ενός συστήματος που περιέχει ένα μόνο σημειακό φορτίο είναι μηδέν, καθώς δεν υπάρχει άλλη πηγή ηλεκτροστατικής δύναμης έναντι της οποίας ένας εξωτερικός παράγοντας πρέπει να εκτελέσει τη λειτουργία της μετακίνησης του σημειακού φορτίου από το άπειρο στην τελική του θέση.

Ένα κοινό ερώτημα προκύπτει σχετικά με την αλληλεπίδραση του σημειακού φορτίου με το ηλεκτροστατικό του δυναμικό. Εφόσον αυτή η αλληλεπίδραση δεν λειτουργεί για να φορτίσει το ίδιο το σημείο, δεν συμβάλλει στη μετακίνηση του ίδιου του σημειακού φορτίου, δεν συμβάλλει στην αποθηκευμένη ενέργεια του συστήματος.

Ενέργεια που αποθηκεύεται σε σύστημα δύο σημειακών φορτίσεων

Ας θεωρήσουμε ένα σημειακό φορτίο, q , στην τελική του θέση κοντά σε ένα σημειακό φορτίο Q1. Επομένως, το ηλεκτρικό δυναμικό λόγω Q1 είναι:

Επομένως, η Ηλεκτροστατική Δυναμική Ενέργεια του q στο δυναμικό του Q1 ως:

Όπου r1 είναι ο διαχωρισμός μεταξύ των δύο σημειακών χρεώσεων

Μηδενικό δυναμικό

Η φύση του δυναμικού είναι ότι το σημείο μηδέν είναι αυθαίρετο και μπορεί να οριστεί όπως η αρχή ενός συστήματος συντεταγμένων. Αυτό δεν σημαίνει ότι είναι ασήμαντο, αν οριστεί το μηδέν του δυναμικού, τότε το συνολικό ποσό του δυναμικού μετράται σε σχέση με το μηδέν. Ένας τρόπος να το πούμε αυτό είναι ότι, είναι η αλλαγή στο δυναμικό που έχει φυσική σημασία.

Το μηδενικό δυναμικό (τάση) έχει ρυθμιστεί για εύκολη χρήση, αλλά συνήθως υπάρχει κάποια πρακτική ή γεωμετρική έννοια στην επιλογή του σημείου μηδέν. Για μια μοναδιαία χρέωση βαθμών ή τοπική συλλογή χρεώσεων, είναι λογικό να ορίσετε το σημείο μηδέν στο άπειρο. Αλλά για μια χρέωση άπειρης γραμμής, αυτή δεν είναι μια λογική επιλογή, επειδή οι τοπικές τιμές του δυναμικού θα πήγαιναν στο άπειρο. Στα ηλεκτρικά κυκλώματα, το δυναμικό γείωσης ή γείωσης θεωρείται γενικά μηδενικό και όλα αναφέρονται στη γη.

Συμπέρασμα

Σε αυτό το άρθρο μελετήσαμε την ηλεκτρική δυναμική ενέργεια. Η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια είναι η ενέργεια που απαιτείται για να μετακινηθεί ένα φορτίο σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Χρειάζεστε περισσότερη ενέργεια για να συνεχίσετε να μετακινείτε ένα φορτίο στο ηλεκτρικό πεδίο, αλλά και περισσότερη ενέργεια για να το μετακινήσετε σε ένα ισχυρότερο ηλεκτρικό πεδίο.

Το ηλεκτρικό δυναμικό ή η τάση είναι η διαφορά δυναμικής ενέργειας ανά μονάδα φόρτισης μεταξύ δύο σημείων σε ένα ηλεκτρικό πεδίο.