انرژی پتانسیل الکتریکی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

انرژی پتانسیل الکتریکی یا انرژی پتانسیل الکتروستاتیک انرژی پتانسیلی است مرتبط با نیروی‌های پایستار کولمب در یک سامانهٔ تعریف‌شده از بارهای نقطه‌ای الکتریکی هم‌چنین باید توجه داشت که انرژی پتانسیل الکتریکی و پتانسیل الکتریکی دو مفهوم کاملاً متفاوت‌اند.
مرجع صفر را تعریف می‌کنیم به حالتی که در آن دو بار نقطه‌ای منفرد در فاصلهٔ بینهایت از هم و به صورت ساکن قرار دارند حال انرژی پتانسیل الکتریکی سامانه‌ای مانند (UE نسبت به یک مرجع صفر برابر است با: W مقدار کاری که توسط یک عامل خارجی فرضی باید انجام شود تا تک تک بارهای نقطه‌ای را از فاصلهٔ بینهایت به سمت یک سامانهٔ دلخواه با سرعت ثابت جابه‌جا کند. در این روند فرض بر این است که هیچ انرژی جنبشی در بارهای نقطه‌ای ذخیره نمی‌شود.

U_{\mathrm{E}} = \; W \;

گاهی تصور می‌شود که انرژی پتانسیل از یک بار قرار گرفته در میدان الکتریکی ناشی می‌شود درحالی که واقعیت این است که این انرژی به کل آن سامانه که شامل مجموعه‌ای از همهٔ بارهای تولیدکنندهٔ میدان الکتریکی است برمی‌گردد.
برای محاسبهٔ مقدار کار لازم برای آوردن یک بار نقطه‌ای در مجاورت سایر بارهای نقطه‌ای که خود ساکن‌اند، کافی است که بدانیم:

  1. میدان کل تولید شده توسط بارهای دیگر چقدر است.
  2. مقدار بار الکتریکی بار نقطه‌ای که می خواهیم جابه‌جا کنیم چقدر است.

در این میان، میدان ایجاد شده ناشی از باری که در حال جابه جا شدن است و مقدار بار سایر بارهای نقطه‌ای برای محاسبهٔ کار، مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. هرچند در بسیاری از محیط‌ها از نظر ریاضی ساده‌تر است که تمام انرژی‌های ایجاد شده از تمام جفت‌بارها را با هم جمع کنیم (مانند زیر). مهم است که در نظر داشته باشیم که الکتروستاتیک تئوری بدست آمده در قرن‌های ۱۸ و ۱۹ است و فرضیاتی مانند بارهای نقطه‌ای مربوط به دانش آن دوران است. الکتروستاتیک یک تئوری کامل برای تمام ذرات باردار فیزیکی که جهان فیزیکی را می‌سازد نیست؛ ذراتی که در اصل عدم قطعیت هایزنبرگ و سایر قوانین در مکانیک کوانتومی مورد بحث قرار می‌گیرند.

انرژی پتانسیل الکتریکی ذخیره شده در بین بارهای نقطه‌ای مجزا[ویرایش]

انرژی پتانسیل الکتریکی ایجاد شده از دو بار نقطه‌ای برابر است با انرژی پتانسیل یک بار در پتانسیل الکتریکی ایجادشده توسط دیگری. به عبارت دیگر اگر بار q_1 پتانسیل الکتریکی \Phi_1(\mathbf r) که خود تابعی از بردار مکان \mathbf r است را ایجاد کند، خواهیم داشت: U_E = q_2 \Phi_1(\mathbf r_2) هم‌چنین به بیان مشابه خواهیم داشت: U_E = q_1 \Phi_2(\mathbf r_1) درنتیجه در حالت کلی اگر N بار الکتریکی داشته باشیم و فرض کنیم بار q_i دارای مکان \mathbf r_i است، انرژی پتانسیل الکتریکی برابر خواهد بود با:

U_E = \frac{1}{2}\sum_i^N q_i \Phi(\mathbf r_i)

که به ازای هر i، \Phi(\mathbf r_i) برابر است با پتانسیل الکتریکی تمام بارهای نقطه‌ای موجود به جز باری که در موقعیت \mathbf r_i قرار دارد.
توجه: ضریب \frac{1}{2} که در ابتدای عبارت ریاضی آمده است، برای جلوگیری از دو بار محاسبه شدن جفت‌بارهای الکتریکی است، برای مثال فرض کنید N برابر ۲ باشد یعنی تنها یک جفت، بار الکتریکی داشته باشیم. البته اگر N برابر با تعداد جفت‌بارها بود طبیعتاً ضریب \frac{1}{2} حذف می‌شد.

تک بار نقطه‌ای[ویرایش]

انرژی پتانسیل الکتریکی سامانه‌ای که تنها شامل یک بار نقطه‌ای الکتریکی است برابر صفر است. چون در آنجا هیچ منبع پتانسیل الکتریکی در مقابل وجود ندارد که نیاز باشد یک عامل خارجی کار انجام دهد و بارهای الکتریکی را از بینهایت تا موقعیت نهایی آن جابه‌جا کند. باید امکان تعامل بین تک بار الکتریکی نقطه ای و پتانسیل الکتریکی خودش را در نظر گرفت اما چون پتانسیل الکتریکی در مکان خود تک بار الکتریکی بینهایت است درنتیجه این "خود-انرژی" از قصد برای برآورد انرژی الکتروستاتیک کل سامانه دز نظر گرفته نمی‌شود؛ به‌علاوه پتانسیل الکتریکی ایجاد شده ناشی از تک بار نقطه‌ای هیج کاری برای جابه‌جایی بار الکتریکی انجام نمی‌دهد درنتیجه می‌توان گفت پتانسیل ناشی از یک تک بار الکتریکی در این بحث از اهمیت چندانی برخوردار نیست.

دو بار نقطه‌ای[ویرایش]

در نظر بگیرید که بار الکتریکی دومی به اندازهٔ q_2 در مجاورت بار q_1 قرار گیرد. پتانسیل الکتریکی  \Phi(r) ناشی از بار q_1 برابر است با:

 \Phi(r_1) = \; k_{\mathrm{e}} \frac{q_1}{r}

که ke ثابت کولمب است که در سامانهٔ استاندارد بین‌المللی یکاها (SI) مقدار آن برابر است با:

 k_{\mathrm{e}} = \; \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} ،

که ثابت الکتریسته \varepsilon_0 است، بنابراین خواهیم داشت:

U_\mathrm{E} = \; \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{q_1 q_2}{ r_{12}}

که r_{12} فاصلهٔ بین دو بار نقطه‌ای است.
اگر بارهای نقطه‌ای ناهم‌نام باشند انرژی پتانسیل الکتریکی منفی خواهد بود و اگر هم‌نام باشند انرژی پتانسیل الکتریکی مثبت خواهد بود. انرژی پتانسیل منفی بین دو بار ناهم‌نام به دلیل جاذبهٔ الکتریکی بین آن دو بار است یعنی برای اینکه بارها با سرعت ثابت به سمت هم منتقل شوند به دلیل حضور جاذبه، باید کار منفی توسط عامل خارجی فرضی انجام شود (نیرو در خلاف جهت جابه‌جایی) درنتیجه انرژی پتانسیل منفی خواهد بود. به دلیل مشابه انرژی پتانسیل مثبت به غلت دافعهٔ بین دوبار است.

سه بار نقطه‌ای یا بیشتر[ویرایش]

برای سه بار نقطه‌ای یا بیشتر نیز انرژی پتانسیل الکتریکی سامانه توسط تمام کار انجام شده توسط عامل خارجی برای آوردن تک تک بارهای نقطه‌ای به سمت موقعیت نهاییشان محاسبه می‌شود؛ بنابراین خواهیم داشت:

U_\mathrm{E} = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \left(\frac{q_1 q_2}{r_{12}} + \frac{q_1 q_3}{r_{13}} + \frac{q_2 q_3}{r_{23}} + \cdots + \frac{q_i q_j}{r_{ij}} \right)
q1, q2 و ... بارهای نقطه‌ای اند.
rij نیز فاصله میان بار iام و jام است.

توجه: اینجا \varepsilon_0 ضریب نفوذپذیری فضای خالی (خلاء) است. زمانی که بارها در فضایی غیر از فضای خالی یا هوا باشند ضریب نفوذپذیری برابر با \varepsilon = k\varepsilon_0 خواهد بود که k ضریب گذردهی الکتریکی (ثابت دی‌الکتریک) نام دارد، k نسیت نیروی الکتروستاتیک وارد شونده در فضای آزاد به نیروی وارد شونده به بار در محیط نسبی است.

انرژی ذخیره شده در توزیع یک میدان الکتریکی[ویرایش]

معادلهٔ انرژی پتانسیل الکتریکی در یک توزیع بار پیوسته در حالتی که میدان الکتریکی داریم نیز قابل استفاده است.
قانون گوس برای میدان الکتریکی در حالت دیفرانسیلی به شکل زیر بیان می‌شود:

\mathbf{\nabla}\cdot\mathbf{E} = \frac{\rho}{\epsilon_0}

که

  • \mathbf{E} \ ، بردار میدان الکتریکی.
  • \rho \ چگالی بار کل، شامل دوقطبی‌های مقید[۱] در ساختار ماده.

درنتیجه خواهیم داشت:

U = \frac{1}{2}\int \limits_{\text{all space}} \rho(r) \Phi(r)d^3r
 = \frac{1}{2}\int \limits_{\text{all space}} \epsilon_0(\mathbf{\nabla}\cdot{\mathbf{E}})\Phi(r)d^3r

از صورت برداری اتحاد دیورژانس که به شکل زیر است استفاده می‌کنیم:

 \nabla\cdot(\vec{A}{B}) = (\nabla\cdot\vec{A}){B} + \vec{A}\cdot(\nabla{B})  \Rightarrow (\nabla\cdot\vec{A}){B} = \nabla\cdot(\vec{A}{B}) - \vec{A}\cdot(\nabla{B})

پس داریم:

 U = \frac{\epsilon_0}{2}\int \limits_{\text{all space}} \mathbf{\nabla}\cdot(\mathbf{E}\Phi) d^3r - \frac{\epsilon_0}{2}\int \limits_{\text{all space}} (\mathbf{\nabla}\Phi)\cdot\mathbf{E} d^3r

با استفاده از قضیهٔ دیورژانس و این فرض که در بینهایت \Phi(\infty) = 0 است:

 U = \frac{\epsilon_0}{2}\int \Phi\mathbf{E}\cdot dA - \frac{\epsilon_0}{2}\int \limits_{\text{all space}} (-\mathbf{E})\cdot\mathbf{E} d^3r
 = \int \limits_{\text{all space}} \frac{1}{2}\epsilon_0\left|{\mathbf{E}}\right|^2 d^3r.

درنتیجه، چگالی انرژی یا انرژی در واحد حجم میدان الکتریکی برابر است با:

 u_e = \frac{1}{2} \epsilon_0 \left|{\mathbf{E}}\right|^2.

انرژی در عناصر الکترونیکی[ویرایش]

برخی عناصر دز محیط می توانند صورتی از انرژی را به صورتی دیگر تبدیل کنند. مثلاً یک مقاومت الکتریکی، انرژی الکتریکی را به گرمایی تبدیل می‌کند و یک خازن آن را در یک میدان الکتریکی ذخیره می‌کند.
کل انرژی پتانسیل ذخیره شده در یک خازن از رابطهٔ زیر بدست می‌آید:

 U_{\textrm{E}} = \frac{1}{2} CV^2

در رابطهٔ بالا C ظرفیت خازن و V پتانسیل الکتریکی کل می‌باشد.

یادداشت[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  • «Electric potential energy»(انگلیسی)‎. ویکی‌پدیای انگلیسی. بازبینی‌شده در ۱۶ مارس ۲۰۱۱. 
  • Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jearl (1997). "Electric Potential". Fundamentals of Physics (5th ed.). John Wiley & Sons. ISBN 0-471-10559-7