Цель: доказать, что электростатическое поле потенциально. дать понятие потенциала электрического поля. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Ход урока

I. Организационный момент

1. Как обнаружить существование электрического поля?

2. Дайте определение напряженности электрического поля. Какова единица напряженности.

3. Как напряженность электрического заряда зависит от расстояния?

4. Где начинается и где заканчивается линия напряженности электростати­ческого поля?

5. Какое электрическое поле называется однородным?

6. Сформируйте принцип суперпозиции электростатических полей.

III.  Физический диктант.

Электрическое поле

См. раздел «Самостоятельные и контрольные работы»

. Ответы: 1. Вещество, поле. 2. Электростатическим. 3- Заряд. 4. Действие на электрические заряды. 5. Кулоновская. 6. Напряженность электрического поля.

IV.Изучение нового материала

При перемещении тока между двумя точками в гравитационном поле работа силы тяжести не зави­сит от формы траектории его движения. Силы гравитационного и электрическо­го взаимодействия имеют одинаковую зависимость от расстояния, и векторы сил направлены вдоль прямой, соединяющей точечные тела.

Можно предположить, что при перемещении заряда в электростатическом поле из одной точки в другую работа сил электрического поля не зависит от формы.

Пусть q перемещается в электрическом поле из т. М в т. N по траектории MBN, при этом совершается работа А_г Теперь вернем заряд в начальную точку по траектории NCM. Внешние силы должны совершить работу А₂, а работа поля А₂ — -А; тогда А- А, + А₂ => A — 0.

Работа электрических сил по любой замкнутой траектории равна нулю.

Пусть заряд q перемещается в однородном электрическом поле из т. В в т. Д

Если работа не зависит от формы траектории, то работу мож­но найти как разность потенциальных энергий в начале и в конце траектории.

Потенциалом электрического поля в данной точке называется отношение потенциальной энергии, которой обладает пробный заряд, помещенный в дан­ную точку поля, к этому заряду Тогда: А = q (e, — е₂).

В международной системе единиц, единицей потенциала служит [В] вольт.

1В — это разность потенциалов двух точек электрического поля, при переходе между которыми заряда в I Кл поле совершает работу 1 Дж.

Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью.

Между двумя любыми точками на эквипотенциальной поверхности раз­ность потенциалов равна нулю, поэтому работа сил электрического поля при любом перемещении заряда эквипотенциальной поверхности равна нулю. Значит, вектор силы F перпендикулярен вектору перемещения. Линии на­пряженности электростатического поля перпендикулярны эквипотенциаль­ной поверхности.

Эквипотенциальными поверхностями точечного заряда являются сферы, в центре которых расположен заряд.

Потенциал — величина скалярная.

Для накопления значительных разноименных электрических зарядов приме­няются конденсаторы.

Конденсаторы — это система из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с линейными размерами проводников. Плоский конденсатор представляет собой две плоские металличес­кие пластины, разделенные слоем диэлектрика. Напряженность поля между пластинами . Физическая величина, определяемая отношением заряда q к

разности потенциалов Де между обкладками конденсатора, называется электроемкостью

Единица электроемкости в системе СИ — фарад  Ф

Электроемкость плоского конденсатора можно увеличить путем увеличения площади обкладок, уменьшая расстояние между ними и применяя диэлектрики с большими значениями диэлектрической проницаемости.

Электроемкость уединенной среды радиусом R:

Электроемкость шара зависит от его радиуса и не зависит от заряда на его поверхности.

1Ф — электроемкость очень большой величины: такой электроемкостью об­ладает сфера 9 • 10¹¹ км, что в 13 раз превышает радиус Солнца.

Виды конденсаторов: воздушный, бумажный, слюдяной, электростатический.

Назначение:

1. Накапливать на короткое время заряд или энергию для быстрого измене­ния потенциала.

2. Не пропускать постоянный ток.

3. В радиотехнике — колебательный контур, выпрямитель.

4. Фототехника.

V. Повторение изученного

1. Что понимают под работой электрического поля?

2. Как понимать выражение «электрическое поле потенциально»?

3. Какие поля называют потенциальными?

4. Как связанно изменение потенциальной энергии с работой?

5. Чему равна потенциальная энергия заряженной частицы в однородном поле?

6. От чего зависит работа по перемещению заряда из одной точки поля в другую?

7. Чему равна работа по перемещению заряда по замкнутому контуру?

8. Напишите формулу работы по перемещению заряда в электрическом поле.

 9. Что называется потенциалом электрического поля?

10. Какая формула выражает смысл этого понятия?

11. Что называют разностью потенциалов между двумя точками поля?

12. Какая формула выражает смысл этого понятия?

13. Для чего предназначены конденсаторы?

14. Как устроен конденсатор?

15. Что называется электроемкостью?

16. В каких единицах выражается электроемкость?

17. От чего зависит электроемкость конденсатора?

Домашнее задание

§  33-34 Упражнение 16

1.5. Электростатический потенциал — СтудИзба

§ 1.5 Электростатический потенциал.

а) Потенциальность электростатического поля.

         При перемещении на  заряда  в поле напряженности  совершается работа:

Видно, что работа, совершаемая полем, положительна, если q>0. При перемещении заряда из точки 1 в точку 2 по траектории L  рис.1.13 работа равна:

.                             (1.26)

Разобьём путь от 1 к 2 на участки, показанные на рис.1.14. На участке 12 работа:

Рекомендуемые файлы

.

На участках 13 и 32:

.

Видно, что работа по перемещению заряда в электрическом поле  не зависит от траектории, а зависит лишь от начальной и конечной точек пути. Такое поле называется потенциальным. Легко показать, что работа при перемещении заряда  в поле  по замкнутому контуру равна нулю.

                      —                  (1.27)

циркуляция  по замкнутому контуру  равна нулю. Это другое (эквивалентное) определение потенциальности .

         В дифференциальной форме можно записать:

.                                                 (1.28)

Через векторный оператор ,  введенный в (1.18),  это:

,                                    (1.29)

где

.

Таким образом, дифференциальная формулировка потенциальности электростатического поля :

.                                 (1.30)

                Из определения ясно, что  — это вектор (рис.1.15). Знак его и направление обхода контура , площадь которого , связаны правилом буравчика. Можно связать циркуляцию вектора по контуру, ограничивающему поверхность, с потоком его ротора через эту поверхность. Из определения (1.28) видно, что:

    —                           (1.31)

это формула Стокса. Поток вектора  через поверхность, ограниченную контуром , равен циркуляции вектора  по этому контуру.

б)    Потенциал.

         Поскольку работа при перемещении заряда в потенциальном поле не зависит от траектории, а зависит лишь от начальной и конечной точек пути, ее можно выразить через координаты концов траектории. Это делается с помощью потенциала. Если пробный заряд перемещается между точками 1 и 2, то работа равна:

.                       (1.32)

Здесь  и  — значения потенциала в точках 1 и 2. Определенная таким образом величина  называется потенциалом поля. Ясно, что потенциал – это величина, численно равная потенциальной энергии положительного единичного (пробного) заряда в данной точке поля. Верно также, что разность потенциалов  между двумя точками электростатического поля равна взятой с обратным знаком работе, совершаемой при перемещении пробного заряда из точки 1 в точку 2.

Установим связь между потенциалом и напряженностью электростатического поля . Так как:

,

,                        (1.33)

то, определив градиент потенциала как:

,                (1.34)

получим из (1.33):

                                       (1.35)

или

.                                             (1.36)

         Из (1.35) ясно, что бесконечно малое приращение потенциала  при перемещении в некотором направлении равно компоненте потенциала по этому направлению, умноженной на величину перемещения. Сравнивая (1.36) с (1.32), можно записать:

                                     (1.37)

или                                             ,                                    (1.38)

т.е. напряженность поля равна градиенту потенциала с обратным знаком.

         Введем понятие эквипотенциальной поверхности как поверхности, во всех точках которой потенциал имеет одно и то же значение. Изобразим поверхности :   (рис.1.16).

При перемещении вдоль  . Так как         , то . Значит, вектор  направлен перпендикулярно эквипо-тенциальной поверхности,  противоположен .

Разность потенциалов — это работа по перемещению пробного заряда из точки 1 в точку 2 (см.рис.1.16) – из точки, отвечающей большему потенциалу, в точку, отвечающую меньшему потенциалу.

         Если это перемещение совершается вдоль , т.е. , тогда .

         Найдем потенциал поля точечного заряда. Считая, что в формуле

точка 2 находится на бесконечности, полагаем . Тогда

.

Поле точечного заряда сферически симметрично, поэтому путь интегрирования возьмем по радиус-вектору .

.                  (1.39)

         По принципу суперпозиции для потенциала системы точечных зарядов

.

При непрерывном распределении заряда

.                                 (1.40)

         Единица измерения потенциала – Вольт (В).

Примеры.

1.      Электрический диполь – это система из двух одинаковых по модулю, но разноименных точечных зарядов, находящихся на расстоянии  друг от друга.

Найти потенциал и напряженность поля диполя (рис.1.17).

Введем электрический момент диполя, направленный от  к :

.                                            (1.41)

         Потенциал для диполя в точке А:

:

.                            (1.42)

Из формулы (1.42) видно, что потенциал диполя зависит от электрического момента . Найдем напряженность поля  диполя:

        ,        (1.43)

. При , сонаправленном с , получим:

 — напряженность поля на оси диполя.

При :                    , напряженность поля перпендикулярно оси диполя. Силовые линии вблизи диполя показаны на рис.1.18.

Модуль вектора :

.

2. Найти потенциал шара, равномерно заряженного по объему зарядом q.

         Напряженность поля шара была найдена ранее в § 1.4. Найдем потенциал в центре шара по формуле (1.40):

.                (1.44)

При этом, . Для нахождения  воспользуемся формулой, связывающей напряженность поля и потенциал:

.

Учтем, что при:      ;  при      (см.(1.24) и (1.25)). Тогда:

        ;

        , – учтено, что .

 найдем из граничного условия для , .

Информация в лекции «Критерии отнесения населенных мест к городским» поможет Вам.

При ;          . Тогда:

                 .                           (1.45)

 найдем из следующего граничного условия: при  и  , т.е. . Тогда

              .                             (1.46)

График зависимости показан на рис.1.19. Видно, что потенциал  непрерывно уменьшается от  до  внутри шара и от  до нуля снаружи.

Потенциал — электростатическое поле — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Потенциал — электростатическое поле

Cтраница 2

Найти распределение потенциала электростатического поля и ( х у) внутри коробки прямоугольного сечения — а х а, — byb, две противоположные грани которой ( х а и х — а) имеют потенциал VQ, а две другие ( у 6, у — Ь) заземлены.  [16]

Найти распределение потенциала электростатического поля и ( х у) внутри прямоугольника [ 0 х а, 0 у Ь ], если потенциал вдоль стороны этого прямоугольника, лежащей на оси Ои, равен г. о, а три другие стороны прямоугольника заземлены. Предполагается, что внутри прямоугольника нет электрических зарядов.  [17]

Найти распределение потенциала электростатического поля и ( х у) внутри коробки прямоугольного сечения — а х а, — byb, две противоположные грани которой ( х а и х — а) имеют потенциал г. о, а две другие ( у 6, у — Ь) заземлены.  [18]

Что называют потенциалом электростатического поля. Чем отличается разность потенциалов от приращения потенциала. По какой формуле находят разность потенциалов между двумя точками электростатического поля.  [19]

Функцию р называют потенциалом электростатического поля. Очевидно, что ф определен с точностью до произвольного достоянного слагаемого. Следовательно, потенциал может отсчитываться от любой точки поля, для которой его значение принимают равным нулю. В электродинамике обычно полагают потенциал равным нулю на бесконечности.  [20]

Функцию ф называют потенциалом электростатического поля. Очевидно, что ф определен с точностью до произвольного постоянного слагаемого. Следовательно, потенциал может отсчитываться от любой точки поля, для которой его значение принимают равным нулю. В электродинамике обычно полагают потенциал равным нулю на бесконечности.  [21]

Эта функция называется потенциалом данного электростатического поля. Обычно принято считать произвольную постоянную, стоящую в правой части ( 2 34), равной нулю, чтобы u ( Q) — Q при удалении Q в бесконечность.  [22]

Как сказано выше, потенциал электростатического поля можно оценить работой, отнесенной к единице заряда; по — Рис — 2 — 5 — Градиент скаляра этому градиент потенциала и его составляющие.  [23]

По какой формуле находят потенциал электростатического поля точечного заряда.  [24]

Для графического изображения распределения потенциала электростатического поля, как и в случае поля тяготения ( см. § 25), пользуются эквипотенциальными поверхностями — поверхностями, во всех точках которых потенциал ф имеет одно и то же значение.  [25]

Для графического изображения распределения потенциала электростатического поля, как и в случае поля тяготения ( см. § 25), пользуются эквипотенциальными поверхностями — поверхностями, во всех точках которых потенциал р имеет одно и то же значение.  [26]

При определении напряженности и потенциала электростатического поля используют представле ние о пробном точечном заряде. Что понимают под этим термином.  [27]

Из (9.29) видно, что потенциал электростатического поля в данной точке есть скалярная величина, численно равная потенциальной энергии единичного заряда, помещенного в эту точку поля.  [28]

Формула (4.22) дает возможность найти потенциал любого гравитационного и электростатического поля.  [29]

Лапласа и Пуассона) для потенциала электростатического поля и общее понятие гармонических функций. В заключительном § 8 кратко рассмотрены имеющие наибольшее практическое применение системы ортогональных криволинейных координат. По ходу изложения приведены примеры решения ряда простых задач, которые не только иллюстрируют практическое приложение излагаемой теории, но отчетливо выявляют некоторые свойства функций, характеризующих поле, имеющих важное значение для составления ясного понимания сущности особых точек и поверхностей в области электростатического поля.  [30]

Страницы:      1    2    3    4

Что называется потенциалом действия?

Работа органов и тканей нашего организма зависит от многих факторов. Некоторые клетки (кардиомиоциты и нервы) зависят от передачи нервных импульсов, генерируемых в специальных компонентах клеток или узлах. В основе нервного импульса лежит образование специфической волны возбуждения, носящей название потенциала действия.

Что это такое?

Потенциалом действия принято называть волну возбуждения, передвигающуюся от клетки к клетке. За счет ее образования и прохождения через клеточные мембраны происходит кратковременное изменение их заряда (в норме внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно, а наружная – положительно). Образованная волна способствует изменению свойств ионных каналов клетки, что приводит к перезарядке мембраны. В тот момент, когда потенциал действия проходит через мембрану, происходит кратковременное изменение ее заряда, что приводит к изменению свойств клетки.

Образование данной волны лежит в основе функционирования нервного волокна, а также системы путей проведения сердца.

При нарушении его образования развиваются многие заболевания, что делает определение потенциала действия необходимым в комплексе лечебно-диагностических мероприятий.

Как же образуется потенциал действия и что для него характерно?

История исследования

Изучение возникновения возбуждения в клетках и волокнах было начато довольно давно. Первыми его возникновение заметили биологи, изучавшие воздействие различных раздражителей на оголенный берцовый нерв лягушки. Ими было замечено, что при воздействии на него концентрированным раствором пищевой соли наблюдалось сокращение мышц.

В дальнейшем исследования были продолжены неврологами, однако основная наука после физики, изучающая потенциал действия – физиология. Именно физиологами было доказано наличие потенциала действия в клетках сердца и нервах.

По мере углубления в изучение потенциалов было доказано наличие и потенциала покоя.

С начала 19 века начали создаваться методы, позволяющие зафиксировать наличие данных потенциалов и измерить их величину. В настоящее время фиксация и изучение потенциалов действия проводится в двух инструментальных исследованиях – снятии электрокардиограмм и электроэнцефалограмм.

Механизм потенциала действия

Образование возбуждения происходит за счет изменения внутриклеточной концентрации ионов натрия и калия. В норме в клетке содержится больше калия, чем натрия. Внеклеточная концентрация ионов натрия значительно больше, чем в цитоплазме. Изменения, вызываемые потенциалом действия, способствуют изменению заряда на мембране, в результате чего обуславливается ток ионов натрия внутрь клетки. Из-за этого изменяются заряды снаружи и внутри клетки (цитоплазма заряжается положительно, а внешняя среда – отрицательно.

Это делается для облегчения прохождения волны по клетке.

После того как волна была передана через синапс, происходит обратное восстановление заряда за счет тока внутрь клетки отрицательно заряженных ионов хлора. Восстанавливаются исходные уровни заряда снаружи и внутри клетки, что приводит к образованию потенциала покоя.

Периоды покоя и возбуждения чередуются. В патологической клетке все может происходить иначе, и образование ПД там будет подчиняться несколько иным законам.

Фазы ПД

Течение потенциала действия можно разделить на несколько фаз.

Первая фаза протекает до образования критического уровня деполяризации (проходящим потенциалом действия стимулируется медленная разрядка мембраны, которая достигает максимального уровня, обычно он составляет около -90 мЭв). Данная фаза носит название предспайк. Осуществляется за счет входа в клетку ионов натрия.

Следующая фаза — пиковый потенциал (или спайк), образует параболу с острым углом, где восходящая часть потенциала означает деполяризацию мембраны (быстрая), а нисходящая часть – реполяризацию.

Третья фаза – отрицательный следовый потенциал – показывает следовую деполяризацию (переход от пика деполяризации до состояния покоя). Обусловлена входом ионов хлора внутрь клетки.

На четвертом этапе, фазе положительного следового потенциала, происходит возврат уровней заряда мембраны к исходному.

Данные фазы, обусловленные потенциалом действия, строго следуют одна за одной.

Функции потенциала действия

Несомненно, развитие потенциала действия имеет важное значение в функционировании тех или иных клеток. В работе сердца возбуждению принадлежит главная роль. Без него сердце было бы просто неактивным органом, но за счет распространения волны по всем клеткам сердца происходит его сокращение, что способствует проталкиванию крови по сосудистому руслу, обогащению ею всех тканей и органов.

Нервная система также не могла бы нормально выполнять свою функцию без потенциала действия. Органы не могли бы получать сигналы к выполнению той или иной функции, в результате чего были бы просто бесполезными. Кроме того, совершенствование передачи нервного импульса в нервных волокнах (появление миелина и перехватов Ранвье) позволило передавать сигнал за считаные доли секунды, что и обусловило развитие рефлексов и сознательных движений.

Кроме данных систем органов, потенциал действия образуется и во многих других клетках, однако в них он играет роль лишь в выполнении клеткой своих специфических функций.

Возникновение потенциала действия в сердце

Основным органом, работа которого основана на принципе образования потенциала действия, является сердце. За счет существования узлов образования импульсов осуществляется работа данного органа, функция которого заключается в доставке крови к тканям и органам.

Генерация потенциала действия в сердце происходит в синусовом узле. Он находится в месте впадения полых вен в правом предсердии. Оттуда импульс распространяется по волокнам проводящей системы сердца – от узла к атриовентрикулярному соединению. Проходя по пучку Гиса, точнее, по его ножкам, импульс проходит к правому и левому желудочку. В их толще расположены более мелкие пути проведения – волокна Пуркинье, по которым возбуждение доходит до каждой клетки сердца.

Потенциал действия кардиомиоцитов является составным, т.е. зависит от сокращения всех клеток сердечной ткани. При наличии блока (рубец после инфаркта) образование потенциала действия нарушается, что фиксируется на электрокардиограмме.

Нервная система

Как же образуется ПД в нейронах – клетках нервной системы. Тут все осуществляется несколько проще.

Внешний импульс воспринимается отростками нервных клеток – дендритами, связанными с рецепторами, расположенными как в коже, так и во всех других тканях (потенциал покоя и потенциал действия также сменяют друг друга). Раздражение провоцирует образование потенциала действия в них, после чего импульс через тело нервной клетки идет в ее длинный отросток – аксон, а от него через синапсы – к другим клеткам. Таким образом, образованная волна возбуждения доходит до головного мозга.

Особенностью нервной системы является наличие двух типов волокон – покрытых миелином и без него. Возникновение потенциала действия и его передача в тех волокнах, где есть миелин, осуществляется значительно быстрее, чем в демиелинезированных.

Данный феномен наблюдается из-за того, что распространение ПД по миелинизированным волокнам происходит за счет “прыжков” – импульс перескакивает участки миелина, что в результате уменьшает его путь и, соответственно, ускоряет распространение.

Потенциал покоя

Без развития потенциала покоя не было бы и потенциала действия. Под потенциалом покоя понимают нормальное, невозбужденное состояние клетки, при котором заряды внутри и вне ее мембраны значительно отличаются (то есть снаружи мембрана заряжена положительно, а внутри – отрицательно). Потенциал покоя показывает разницу между зарядами внутри и извне клетки. Обычно в норме он составляет от -50 до -110 мЭв. В нервных волокнах данная величина обычно равна -70 мЭв.

Обусловлен он миграцией ионов хлора внутрь клетки и созданием негативного заряда на внутренней стороне мембраны.

При смене концентрации внутриклеточных ионов (как было указано выше) ПП сменяет ПД.

В норме все клетки организма находятся в невозбужденном состоянии, поэтому смену потенциалов можно считать физиологически необходимым процессом, так как без них не могли бы осуществлять свою деятельность сердечно-сосудистая и нервная системы.

Значимость исследования потенциалов покоя и действия

Потенциал покоя и потенциал действия позволяют определить состояние организма, а также отдельных органов.

Фиксация потенциала действия с сердца (электрокардиография) позволяет определить его состояние, а также функциональную способность всех его отделов. Если изучать нормальную ЭКГ, то можно заметить, что все зубцы на ней есть проявление потенциала действия и последующего потенциала покоя (соответственно, возникновение данных потенциалов в предсердиях отображает зубец Р, а распространение возбуждения в желудочках – зубец R).

Что касаемо электроэнцефалограммы, то на ней возникновение различных волн и ритмов (в частности, альфа и бета-волн у здорового человека) также обусловлено возникновением потенциалов действия в нейронах головного мозга.

Данные исследования позволяют своевременно выявить развитие того или иного патологического процесса и обуславливают практически до 50 процентов успешного лечения исходного заболевания.

Теория по физике для ЕГЭ, пособия по подготовке и справочные материалы в Москве

Работа сил электростатического поля. Потенциал и разность потенциалов. Связь разности потенциалов с напряженностью электростатического поля. Потенциал поля точечного заряда. Эквипотенциальные поверхности.

Что значит потенциал?

Объяснение потенциальной и кинетической энергии

Energy — увлекательная концепция. Его нельзя ни создать, ни уничтожить, но его можно изменить.Когда вы используете или накапливаете энергию , вы имеете дело с потенциальной или кинетической энергией. Читайте дальше, мы обсудим эти две формы энергии более подробно и исследуем взаимосвязь между ними.

Для выполнения любой работы вам нужно энергии. , поэтому способность выполнять любую работу — это энергия.

Прочтите это еще раз.

Потенциальная и кинетическая энергия — это две формы энергии, которые могут быть преобразованы друг в друга .Потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую энергию и наоборот.

источник

Потенциальная энергия — это энергия, накопленная в любом объекте или системе в силу ее положения или расположения частей. Однако на него не влияет окружающая среда за пределами объекта или системы, такая как воздух или высота.

С другой стороны, кинетическая энергия — это энергия движущегося объекта или частиц системы. В отличие от потенциальной энергии, кинетическая энергия объекта относится к другим неподвижным и движущимся объектам, присутствующим в его непосредственном окружении.Например, кинетическая энергия объекта будет выше, если объект расположен на большей высоте.

Потенциальная энергия не передается и зависит от высоты, расстояния и массы объекта. Кинетическая энергия может передаваться от одного движущегося объекта к другому (вибрация и вращение) и зависит от скорости или скорости и массы объекта.

Давайте объясним P.E и K.E на примере.

Представьте, что у вас в руке молоток.Когда вы поднимете молот выше, он будет иметь потенциальную энергию. Но когда вы бросаете молоток вниз и ударяете по поверхности стола, он приобретает кинетическую энергию.

Здесь следует отметить три интересных момента.

Во-первых, поднятый молот имеет большую потенциальную энергию, поскольку он может подниматься или опускаться. Во-вторых, когда вы ударяете молотком по столу, сохраненная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую при падении молотка. (Это падающий молот, обладающий кинетической энергией.) В-третьих, как только молоток ударяется о стол, энергия меняется. Таким образом, стационарный молот накапливает энергию в виде потенциальной энергии.

Как показывает этот пример, энергия не разрушается и не теряется в течение всего процесса — она ​​только изменяется от одной формы к другой, доказывая закон сохранения энергии. ^[1]

Теперь вы знаете, что потенциальная энергия — это относительная позиция , а кинетическая энергия — относительная движения.

Основная взаимосвязь между ними — их способность трансформироваться друг в друга. Другими словами, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, а кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию, а затем снова . Это бесконечный цикл.

Давайте возьмем другой пример. Представьте, что на столе лежит книга.

Когда книга покоится, она обладает потенциальной энергией. Но когда вы случайно сбили ее со стола, эта потенциальная энергия превратится в кинетическую энергию, когда книга упадет, поскольку она находится в движении.Однако, как только книга упадет на пол, эта энергия движения снова преобразуется в потенциальную. ^[2]

источник

Существует три основных типа потенциальной энергии: упругая потенциальная энергия, гравитационная потенциальная энергия и химическая потенциальная энергия. ^[3]

Упругая потенциальная энергия хранится в объектах, которые можно растягивать или сжимать.Чем больше объект растягивается или сжимается, тем больше у него упругой потенциальной энергии. Классический пример — растягивающаяся резинка. Хотя он уже имеет больше потенциальной энергии, чем дальше вы его растягиваете, тем выше будет упругая потенциальная энергия. ^[4]

Вы также должны знать, что гравитационная потенциальная энергия и потенциальная энергия упругой энергии могут быть дифференцированы еще больше на основе механической энергии.

Например, автомобиль, припаркованный на вершине холма, является примером механической гравитационной потенциальной энергии, поскольку у автомобиля есть возможность спуститься с холма.То же самое и с американскими горками, которые останавливаются в самой высокой точке рельсов. ^[5]

С другой стороны, когда лучник натягивает лук перед прицеливанием, натянутая тетива имеет больше механической упругой потенциальной энергии, которая высвобождается, когда стрела выходит из лука.

Мы обсудим потенциальную энергию гравитации и химическую потенциальную энергию более подробно позже.

Теперь, когда мы рассмотрели основы, пора сосредоточиться на деталях.Ниже мы объясним некоторые из наиболее распространенных форм энергии, чтобы показать, почему они обладают потенциальной или кинетической энергией.

источник

Все во Вселенной состоит из атомов . Эти атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов, которые дают им возможность передавать кинетическую энергию.

У каждого атома есть ядро, вокруг которого вращаются электроны. Поскольку эти электроны всегда находятся в движении, они обладают кинетической энергией.Но все меняется, хотя и временно, когда вы прикладываете к атому давление или энергию. ^[6]

Видите ли, кинетическая энергия электронов увеличивается при приложении давления, заставляя их двигаться быстрее, в конечном итоге заставляя их прыгать на более широкую орбиту. После этого у каждого электрона будет накопленная энергия, которая станет его потенциальной энергией.

Поскольку все это устройство носит временный характер, электрон высвобождает эту потенциальную энергию, преобразовывая ее в кинетическую энергию, возвращаясь на свою ранее меньшую орбиту.Вот почему полная энергия электрона является суммой его потенциальной энергии и кинетической энергии . ^[7]

Батарея — это форма потенциальной энергии. Чтобы объяснить это, нам нужно немного углубиться в технические детали.

Батарея накапливает электрическую потенциальную энергию, когда электроны движутся от катода к аноду. Так заряжается аккумулятор.

Когда электроны движутся в другом направлении, они преобразуют эту химическую потенциальную энергию в электрическую цепь, тем самым разряжая батарею. ^[8] Итак, батарея — это вся потенциальная энергия.

Электрическая энергия может быть потенциальной или кинетической. , поскольку она создается из потока электрического заряда.

Продолжая пример с аккумулятором, мы знаем, что он имеет электрическую потенциальную энергию во время зарядки. Но как только вы прикладываете силу к батарее, заряженные частицы начинают делать некоторую работу, преобразовывая потенциальную энергию в кинетическую.

Точно так же, когда вы включаете свет, потенциальная энергия проходит по вашей проводке и преобразуется в свет и тепло, которые являются формами кинетической энергии. ^[9]

Так же, как и электрическая энергия, звуковая энергия может быть не только кинетической, но и потенциальной. Но прежде чем вдаваться в подробности, давайте разберемся, что такое звуковая энергия.

Звуковая энергия — это энергия, выделяемая вибрирующими объектами.Однако звук — это волна, которая проходит через среду, например воздух, что позволяет ей накапливать кинетическую и потенциальную энергию. ^{[10, 11]}

Например, когда вы играете на барабанах, они вибрируют в результате излучаемых звуковых волн. Эти волны колеблются и перемещаются, создавая кинетическую энергию. Но когда барабаны остаются нетронутыми, они обладают большей потенциальной энергией, поскольку оборудование не движется и может издавать звук.

Тепловая энергия — это просто модное слово для обозначения тепловой энергии.Это форма как потенциальной, так и кинетической энергии.

Если вы помните, электроны атома обладают потенциальной энергией. Как только вы оказываете давление на электроны, они начинают быстро двигаться, сталкиваясь друг с другом и выделяя тепловую энергию в виде тепла.

Подумайте немного о кипящей воде. Вода, помещенная на плиту, обладает потенциальной энергией. Но как только вода начинает нагреваться, молекулы воды начинают двигаться быстрее, создавая кинетическую энергию.

Тепловая потенциальная энергия — это потенциальная энергия на атомном и молекулярном уровнях, когда частицы показывают потенциал преобразования в кинетическую энергию.С другой стороны, тепловая кинетическая энергия — это когда атомы и молекулы начинают двигаться из-за тепла и температуры. ^[12]

Радиантная энергия — это форма кинетической энергии, которая создается при перемещении электромагнитных волн в космосе. Вы можете удивиться, узнав, что Солнце — один из крупнейших источников лучистой энергии на нашей планете. ^[13]

Помните то теплое чувство, которое возникает, когда вы выходите из-под солнца? Наша кожа касается лучистой энергии солнца.Точнее, электромагнитные волны заставляют молекулы нашей кожи двигаться быстрее, что, в свою очередь, создает кинетическую энергию. ^[14]

Существует шесть типов потенциальной энергии: механическая энергия, электрическая энергия, химическая энергия, лучистая энергия, ядерная энергия и тепловая энергия. ^[15]

Однако в первую очередь мы сосредоточены на потенциальной химической потенциальной энергии и гравитационной потенциальной энергии.

Химическая потенциальная энергия — это запасенные химические связи вещества. Когда вы заряжаете аккумулятор, он накапливает потенциальную химическую энергию, которая позже преобразуется в электрическую. ^[16]

Гравитационное поле Земли отвечает за гравитационную потенциальную энергию. Британская радиовещательная корпорация описывает эту форму потенциальной энергии как энергию, которую объект имеет в силу своего положения над поверхностью Земли. ^[17]

Вы, наверное, заметили, что когда человек ныряет, он всегда приземляется с большей силой, когда выплескивается в бассейн.

* Введите гравитацию Земли *

Сила тяжести использует вес дайвера для выработки кинетической энергии (ныряющего движения), которая заставляет дайвера плескаться в бассейне. Итак, когда дайвер стоит наверху трамплина, это его гравитационная потенциальная энергия, которая затем преобразуется в кинетическую энергию, когда он прыгает с трамплина.

Не говоря уже о деталях и вариациях, давайте рассмотрим энергию дальше, рассмотрев, как потенциальная энергия описывается в других формах исследований.

В физике потенциальная энергия — это энергия, запасенная в объекте из-за его положения относительно некоторого нулевого положения, которое является произвольно назначенным положением, таким как земля. [18] Он придерживается нескольких законов, связанных с физикой, таких как закон сохранения энергии и первый закон термодинамики, которые гласят, что энергия всегда сохраняется и не может быть создана или уничтожена. ^[19]

Химическая потенциальная энергия — это энергия, запасенная в химических связях вещества, которая распадается в результате различных химических реакций. Вновь произведенная химическая энергия используется разными способами, также известными как работа. ^[20]

Работа — это энергия в движении. Следовательно, химическая потенциальная энергия остается верной основному закону: потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию и никогда не создается и не разрушается.

Потенциальная энергия и кинетическая энергия измеряются в джоулях (Дж), названы в честь английского математика Джеймса Прескотта Джоуля. Но у них разные формулы в отношении их разных атрибутов.

Потенциальная энергия зависит от силы, действующей на два объекта, поэтому ее формула: ^[21]

Потенциальная энергия = mgh

• м — масса в килограммах
• g — ускорение свободного падения
• h — высота в метрах
  

Кинетическая энергия прямо пропорциональна массе объекта и квадрату его скорости.Подставляя его в формулу ^[22] , получаем:

Кинетическая энергия = 1/2 м²

• м — масса в килограммах
• v — скорость в метрах в секунду

источник

Потенциальная энергия и кинетическая энергия — неотъемлемая часть нашей повседневной жизни. От простых вещей, таких как чистка зубов, до того, чтобы просто стоять — все, что мы делаем, задействует оба вида энергии.

Вы найдете различные формы энергии, от тепловой до звуковой и электрической. Но если есть что-то общее: все это можно разделить на категории потенциальной энергии или кинетической энергии, а иногда и того и другого.

Кинетическая энергия и потенциальная энергия y также играют решающую роль в озеленении нашей земли, поскольку они помогают создавать возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра. Короче говоря, мы никогда не , не будем иметь дело с этими формами энергии, тем более что энергия никогда не теряется — она ​​только меняет форму.

Получено от justenergy.com

Источники:

1. Закон сохранения энергии. Энергетическое образование. https://energyeducation.ca/encyclopedia/Law_of_conservation_of_energy. Обновлено 28 апреля 2020 г. Проверено 10 ноября 2020 г.
   

2. Потенциальная энергия. Science Daily. https://www.sciencedaily.com/terms/potential_energy.htm. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
   

3. Типы потенциальной энергии.chemKinetics. http://chemsite.lsrhs.net/chemKinetics/PotentialEnergy.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
   

4. Типы потенциальной энергии. chemKinetics. http://chemsite.lsrhs.net/chemKinetics/PotentialEnergy.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
   

5. Примеры потенциальной энергии. Ваш словарь. https://examples.yourdictionary.com/examples-of-potential-energy.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
   

6. Яркая буря.Кинетическая и потенциальная энергия атомов. https://www.brightstorm.com/science/physics/heat-and-thermodynamics/kinetic-and-potential-energy-of-atoms. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
   

7. Спросите Итана: что такое электрон. Forbes. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/04/06/ask-ethan-what-is-an-electron/?sh=438a769a3b4d. Обновлено 6 апреля 2019 г. Проверено 10 ноября 2020 г.
   

8. Электрический ток. Люмен. https://courses.lumenlearning.com/boundless-physics/chapter/electric-current/.По состоянию на 10 ноября 2020 г.
   

9. ThoughtCo. Как работает электроэнергия? https://www.oughttco.com/electrical-energy-definition-and-examples-4119325. Обновлено 8 июня 2019 г. Проверено 10 ноября 2020 г.
   

10. Примеры звуковой энергии. Ваш словарь. https://examples.yourdictionary.com/examples-of-sound-energy.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
    

11. Звуковая энергия. Солнечные школы. https: //www.solarschools.сеть / банк знаний / энергия / типы / звук. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
    

12. Звуковая энергия. Солнечные школы. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/thermal. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
    

13. Солнечные школы. Энергия излучения. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/radiant. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
    

14. Солнечные школы. Энергия излучения. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/radiant.По состоянию на 10 ноября 2020 г.
    

15. Подробнее об энергии. Центр глины. https://www.theclaycenter.org/wp-content/uploads/2016/10/Energy-Curriculum-Forms.pdf. Обновлено в октябре 2016 г. Проверено 5 ноября 2020 г.
    

16. Примеры потенциальной энергии. Ваш словарь. https://examples.yourdictionary.com/examples-of-potential-energy.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
    

17. Энергетика. BBC. https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/zq2csrd/revision/4.По состоянию на 10 ноября 2020 г.
    

18. Потенциальная энергия. Физика Игровая. https://www.physicsclassroom.com/class/energy/Lesson-1/Potential-Energy#:~:text=To%20summarize%2C%20potential%20energy%20is,или%20below)%20the%20zero%20height. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
    

19. Закон термодинамики. Горный общественный колледж Эстрелла. https://www2.estrellamountain.edu/faculty/farabee/biobk/biobookener1.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
    

20. Химическая энергия.Солнечная школа. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/chemical. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
    

21. Наука. Как рассчитать потенциальную энергию. https://sciencing.com/calculate-potential-energy-4514673.html. Обновлено 30 октября 2016 г. Проверено 2 ноября 2020 г.
    

22. Формула кинетической энергии. SoftSchools.com. https://www.softschools.com/formulas/physics/kinetic_energy_formula/26/. По состоянию на 10 ноября 2020 г.

Все изображения лицензированы Adobe Stock.
Рекомендуемое изображение:

Потенциальная электрическая энергия

Способность выполнять работу, возникающую из положения или конфигурации, называется потенциальной энергией. Объект может иметь электрическую потенциальную энергию благодаря двум ключевым элементам: собственному электрическому заряду и своему положению относительно других электрически заряженных объектов. Перемещение электрического заряда в электрическом поле требует или высвобождает энергию. Такая энергия называется электрической потенциальной энергией.

Когда свободный положительный заряд q ускоряется электрическим полем, как показано на рисунке, ему дается кинетическая энергия.Этот процесс аналогичен ускорению объекта гравитационным полем. Это как если бы заряд спускался с электрического холма, где его электрическая потенциальная энергия преобразуется в кинетическую. Давайте исследуем работу, совершаемую электрическим полем над зарядом q в этом процессе, чтобы мы могли разработать определение электрической потенциальной энергии.

Потенциальная электрическая энергия

Потенциальная энергия — это энергия, запасенная внутри объекта, которая возникает из его положения относительно других, поэтому электрическая потенциальная энергия — это когда есть набор зарядов, каждый из которых оказывает силу на другой.Например, если ион положительно заряжен, то другой ион, который также положительно заряжен, который приближается к нему, будет испытывать силу отталкивания, и эта энергия, стоящая за этой силой, называется потенциальной энергией.

Электрическая потенциальная энергия, запасаемая двумя зарядами q1 и q2 на расстоянии r друг от друга, определяется выражением Где U — потенциальная энергия.

Определение электрической потенциальной энергии

Электрическая потенциальная энергия может быть определена двумя способами, т. Е. С помощью электрического поля и электрического потенциала

Электрическая потенциальная энергия в электрическом поле

Электростатическая потенциальная энергия, U _E , одного точечного заряда q в позиции r в присутствии электрического поля E определяется как отрицательная часть работы W , выполняемой электростатическим усилие, чтобы переместить его из исходного положения r в это положение r , где E — электростатическое поле, а ds — вектор смещения на кривой от исходного положения rref до конечного положения r .

Электрическая потенциальная энергия через электрический потенциал

Электрическая потенциальная энергия, U _E , точечного заряда q в позиции r в присутствии электрического потенциала определяется как произведение заряда и электрического потенциала, где Φ — электрический потенциал. генерируется зарядами, которая является функцией позиции r .

Потенциальная электрическая энергия Единиц

Электрические потенциалы измеряются в вольтах, В.1 В = 1 Джоуль / Кулон = 1 Дж / Кл. Если заряд Q находится в положении, где электрический потенциал равен V, тогда потенциальная энергия этого заряда равна QxV. (Символом электрического потенциала обычно является V, а единицы измерения также V; это может сбивать с толку. Я буду использовать V для символа и V для единицы вольт.) Итак, 2C заряда в месте, где потенциал 6V имеет потенциальную энергию 2x6J = 12J. Заряд -3C в месте с потенциалом 1,5 В имеет потенциальную энергию -4,5 Дж.

Какой потенциал? — Обмен физическими стеками

На языке векторного исчисления:

Слово потенциал обычно используется для обозначения функции, которая при особом дифференцировании дает векторное поле.Эти векторные поля, возникающие из потенциалов, называются консервативными . Для векторного поля $ \ vec F $ следующие условия эквивалентны:

1. $ \ набла \ раз \ vec F = 0 $
2. $ \ vec F = — \ nabla \ phi $
3. $ \ oint_C \ vec F \ cdot \ text {d} \ vec \ ell = 0 $ для любого замкнутого цикла $ C $ (отсюда и название «консервативный»)

Функция $ \ phi $, фигурирующая в $ (2) $, называется потенциалом $ \ vec F. $ Таким образом, любое безвихревое векторное поле можно записать как градиент потенциальной функции.

В частности, в электромагнетизме закон Фарадея говорит нам, что $ \ nabla \ times \ vec E = — \ frac {\ partial \ vec B} {\ partial t} $. Для магнитных полей, которые не меняются со временем (электростатика), мы получаем, что $ \ nabla \ times \ vec E = 0 $ и, следовательно, $ \ vec E = — \ nabla V $, где $ V $ — потенциал $ \ vec E $. Это именно то, что мы называем электрическим потенциалом или «напряжением», если вы нефизик. В электродинамическом случае, когда $ \ frac {\ partial \ vec B} {\ partial t} \ neq 0 $, понятие электрического потенциала все еще существует, поскольку мы можем разбить электрическое поле на сумму безвихревого поля и соленоидального поля. (это называется теоремой Гельмгольца).Затем мы можем использовать уравнения Максвелла, чтобы получить, что $ \ vec E = — \ nabla V- \ frac {\ partial \ vec A} {\ partial t} $, где $ V $ — тот же электрический потенциал, а $ \ vec A $ — векторное поле, которое мы называем векторным потенциалом .

Случай с гравитацией аналогичен. Если $ \ vec g $ — безвихревое гравитационное поле (что всегда имеет место в ньютоновской гравитации), то $ \ vec g = — \ nabla \ phi $, где $ \ phi $ — гравитационный потенциал. Это тесно связано с гравитационной потенциальной энергией в том смысле, что масса $ m $, помещенная в гравитационное поле $ \ vec g $, будет иметь потенциальную энергию $ U = m \ phi $.

Потенциальная энергия

2

Новое гибридное устройство может как улавливать, так и накапливать солнечную энергию

20 ноября 2019 г. — Исследователи сообщили о новом устройстве, которое может как эффективно улавливать солнечную энергию, так и накапливать ее до тех пор, пока она не понадобится, предлагая многообещающие решения для различных областей применения, от производства электроэнергии до дистилляции …

Технология быстрой зарядки суперконденсаторов

14 мая 2020 г. — Эксперты считают, что их мечта о чистом хранении энергии стала на шаг ближе после того, как они представили свою революционную технологию суперконденсаторов, способную хранить и доставлять электроэнергию с высокой мощностью…

Может ли вода решить проблему хранения возобновляемой энергии?

19 февраля 2020 г. — Сезонно накачанные гидроаккумуляторы могут обеспечить доступный способ хранения возобновляемой энергии в долгосрочной перспективе, заполняя столь необходимый пробел для поддержки перехода к возобновляемым источникам энергии, согласно …

Простая самозарядная батарея предлагает решения для электропитания устройств

25 февраля 2020 г. — Аккумулятор нового типа сочетает в себе отрицательную емкость и отрицательное сопротивление внутри одного элемента, что позволяет элементу самозаряжаться без потери энергии, что имеет важные последствия для…

Моделирование будущего на основе устойчивой энергетики

30 октября 2018 г. — Экономисты смоделировали переход от мира, работающего на ископаемом топливе, к миру, в котором экологически чистые источники обеспечивают всю нашу энергию …

Фуллереновые соединения, готовые к моделированию

15 ноября 2018 г. — Углеродные структуры в форме полого футбольного мяча, называемые фуллеренами, находят применение в самых разных областях, от искусственного фотосинтеза и нелинейной оптики до производства фотоактивных пленок и т. Д…

Питание навигационных буев с помощью океанских волн

4 августа 2021 г. — Традиционно используемые технологии сбора энергии, такие как фотоэлектрические панели или ветряные турбины, имеют несколько ограничений. При отсутствии дневного света и ветра ни один из них не может обеспечить …

Использование гор для длительного хранения энергии

11 ноября 2019 г. — Хранение энергии в течение длительного времени связано с особыми проблемами.Исследователь предлагает использовать сочетание горных гравитационных накопителей энергии (MGES) и гидроэнергетики в качестве решения для …

Ученые открыли для себя потенциальную технологию устойчивой энергетики для домашнего холодильника

28 марта 2019 г. — Несмотря на то, что в области повышения эффективности было сделано много достижений, холодильник по-прежнему потребляет значительное количество энергии каждый год. Поэтому исследователи в Китае работают над минимизацией возникающих холодовых потерь …

Управление по спутной струе потенциально увеличивает производство энергии на ветряных электростанциях США

18 мая 2021 г. — Управление следом — это стратегия, применяемая на ветряных электростанциях, включающая смещение турбин вверх по потоку с направлением ветра для отклонения следа от турбин вниз по потоку, которое, следовательно, увеличивается…

Разница потенциалов — объяснение того, что такое разность электрических потенциалов

Узнайте все о разнице электрических потенциалов, формуле для расчета разницы потенциалов, о том, как рассчитать разность потенциалов между двумя точками.

Разность потенциалов можно просто определить как разность электрических потенциалов между двумя точками. Когда два положительных заряда поднесены друг к другу, они отталкиваются.

Когда два отрицательных заряда сближаются, они также отталкиваются. Но когда положительный и отрицательный заряды сближаются, они притягиваются друг к другу. Когда эти два противоположных заряда объединены, их можно использовать для работы. Вот почему нам нужны положительный ( + ) и отрицательный ( — ), чтобы зажечь лампочку или запустить любой электрический инструмент, оборудование, мобильный телефон или бытовую технику. Эта способность заряженных частиц совершать работу называется электрическим потенциалом .

Следовательно, два противоположных заряда имеют разность потенциалов или разности потенциалов. Единица измерения разности потенциалов ( pd ) — вольт .

Единица разности потенциалов

Единица измерения разности потенциалов (вольт) названа в честь Алессандро Вольта. Вольт — это мера электрического потенциала. Электрический потенциал — это тип потенциальной энергии, он относится к энергии, которая может быть высвобождена, если электрический ток будет протекать.

Один вольт определяется как разница в электрическом потенциале между двумя точками проводящего провода, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности между этими точками. Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии 1 метра друг от друга, которые создают электрическое поле в 1 ньютон на кулон.

Единицей работы в системе СИ является джоуль ( Дж ). Единица силы в системе СИ — ньютон ( N ).Единица расстояния в системе СИ — метр ( м ).

Вт (джоули) = N (ньютоны) x м (метры)

Напряжение

В области электроники разность потенциалов обычно обозначается как напряжение и обозначается как В . В некоторых случаях также используется символ U или E для ЭДС (электродвижущая сила ), но стандартный символ V представляет любую разность потенциалов. Это относится к напряжению, генерируемому такими источниками, как батарея или солнечный элемент, а также к напряжению, падающему на пассивном электронном компоненте, таком как резистор.

Разность потенциалов, также называемая разностью напряжений между двумя заданными точками, — это работа в джоулях, необходимая для перемещения одного кулона заряда из одной точки в другую. Единица измерения напряжения в системе СИ — вольт .