Πίνακας περιεχομένων
Ορισμός
Δύο σωματίδια με ηλεκτρικό φορτίο, τα οποία αλληλεπιδρούν μέσω ενός ηλεκτρικού πεδίου, θα σχηματίσουν ένα σύστημα το οποίο θα έχει ένα ηλεκτρική δυναμική ενέργεια. Για παράδειγμα, εάν ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο πλησιάσει ένα αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο, θα αναπτυχθεί μια δύναμη έλξης μεταξύ των δύο φορτισμένων σωματιδίων, επομένως θα δημιουργηθεί ηλεκτρική δυναμική ενέργεια.
Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια ονομάζεται συχνά ηλεκτροστατική δυναμική ενέργεια.
Εικόνα: Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια
Η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια δεν σχετίζεται με το ένα ή το άλλο φορτίο, είναι η δυναμική ενέργεια του συστήματος δύο ηλεκτρικών φορτίων. Εάν έχουμε μόνο ένα ηλεκτρικό φορτίο παρόν, δεν θα υπάρχει δυναμική ενέργεια γιατί δεν θα δημιουργηθεί δύναμη έλξης/απώθησης.
Τύπος
Δύο ηλεκτρικά φορτία, που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους λόγω του ηλεκτρικού τους πεδίου, έχουν την ηλεκτρική δυναμική ενέργεια που ορίζεται ως [1]:
U = (k · q1 · q2) / r
(1)
που:
- U [J] – ηλεκτρική δυναμική ενέργεια
- κ [N·m2/C2] – Σταθερά Coulomb
- q1 [C] – ηλεκτρικό φορτίο του πρώτου σωματιδίου
- q2 [C] – μάζα δεύτερου σώματος
- r [m] – απόσταση μεταξύ των ηλεκτρικών φορτίων
ο Σταθερά Coulomb επίσης γνωστή ως σταθερά ηλεκτρικής δύναμης ή ηλεκτροστατική σταθερά, έχει μια σταθερή τιμή, ίση με:
k = 8,9875517923 · 109 N·m2/ΝΤΟ2
Η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρική δυναμική ενέργεια είναι μονάδα ενέργειας ή έργου [J].
Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια δύο φορτίων
Ένα σωματίδιο με φορτίο -5 νανοκουλόμπ βρίσκεται σε απόσταση 10 εκατοστών από ένα άλλο φορτίο 10 νανοκουλόμπ. Υπολογίστε τη δυναμική ενέργεια των συστημάτων από αυτά τα δύο ηλεκτρικά φορτία.
Βήμα 1. Μετατρέψτε τα ηλεκτρικά φορτία από [nC] προς την [C] πολλαπλασιάζοντας το [nC] τιμή με 10-9:
q1 = -5 · 10-9 ντο
q2 = 10 · 10-9 ντο
Βήμα 2. Μετατρέψτε την απόσταση από [cm] προς την [m] με διαίρεση του [cm] τιμή έως 100:
Βήμα 3. Υπολογίστε την ηλεκτρική δυναμική ενέργεια του συστήματος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1):
U = (8,9875517923 · 109 · (-5) · 10-9 · 10 · 10-9) / 0,1 = – 4,494 · 10-6 J
Η προκύπτουσα ηλεκτρική δυναμική ενέργεια είναι αρνητική, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει μια δύναμη έλξης μεταξύ των δύο σωματιδίων. Αυτό ισχύει αφού ένα σωματίδιο έχει θετικό φορτίο και το δεύτερο έχει αρνητικό.
Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια δύο ηλεκτρονίων
Δύο ηλεκτρόνια, το καθένα με ηλεκτρικό φορτίο -1,60217662·10-19 κουλόμπ, βρίσκονται σε απόσταση 1 χιλιοστού το ένα από το άλλο. Να υπολογίσετε την ηλεκτρική δυναμική ενέργεια του συστήματος δύο ηλεκτρονίων.
Βήμα 1. Μετατρέψτε την απόσταση από [mm] προς την [m] με διαίρεση του [mm] τιμή έως 1000:
Βήμα 2. Υπολογίστε την ηλεκτρική δυναμική ενέργεια του συστήματος:
Επειδή και τα δύο ηλεκτρόνια έχουν το ίδιο φορτίο (q1 = q2 = q), η εξίσωση (1) θα απλοποιηθεί και θα γραφεί ως:
όπου q [C] είναι το ηλεκτρικό φορτίο του ηλεκτρονίου.
Μπορούμε τώρα να υπολογίσουμε την ηλεκτρική δυναμική ενέργεια του συστήματος που σχηματίζεται από τα δύο ηλεκτρόνια, χρησιμοποιώντας την εξίσωση (2):
U = (8,9875517923 · 109 · (-1,60217662 · 10-19)2) / r = 2,30701 · 10-25 J
Η προκύπτουσα ηλεκτρική δυναμική ενέργεια είναι θετική, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει μια απωστική δύναμη μεταξύ των δύο ηλεκτρονίων. Αυτό ισχύει αφού και τα δύο ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο.
Αριθμομηχανή
Ο υπολογιστής ηλεκτρικής δυναμικής ενέργειας σάς επιτρέπει να υπολογίσετε την ηλεκτρική δυναμική ενέργεια δύο φορτισμένων σωματιδίων. Πρέπει να εισαγάγετε τις παραμέτρους φόρτισης, απόστασης και να επιλέξετε την επιθυμητή μονάδα μέτρησης. Κάντε κλικ στο CALCULATE για να δείτε τα αποτελέσματα.
Η προεπιλεγμένη μονάδα μέτρησης για την ενέργεια είναι Μονάδα ενέργειας ή έργου. Εάν θέλετε το αποτέλεσμα να εμφανίζεται σε άλλη μονάδα, χρησιμοποιήστε την αναπτυσσόμενη λίστα για να επιλέξετε και κάντε ξανά κλικ στο κουμπί ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ.
βιβλιογραφικές αναφορές
[1] David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Fundamentals of Physics, 7η έκδοση, John Wiley & Sons, 2004.
[2] Benjamin Crowell, Φως και ύλη – Φυσική, 2007.
[3] Raymond A. Serway και John W. Jr. Jewett, Physics for Scientists and Engineers, 6η έκδοση, Brooks/Cole Publishing Co., 2004
[4] Jiansong Li, Jiyun Zhao και Xiaochun Zhang, Ένα νέο σύστημα ανάκτησης ενέργειας που ενσωματώνει την αναγέννηση σφόνδυλου και ροής για ένα σύστημα μπούμας υδραυλικού εκσκαφέα, Energies 2020.
[5] Leo H. Holthuijsen, Waves in oceanic and coastal waters, Cambridge University Press, 2007.
[6] Kira Grogg, Harvesting the Wind: The Physics of Wind Turbines, Carleton College, 2005.
