حفظ الطاقة الكهربائية
مُقدَّمشحنة في مجال تشبه كرة على تلة
- اترك كرة على منحدر فتسارع، مستبدلة الارتفاع بالسرعة.
- اترك شحنة في مجال كهربائي ستفعل نفس الشيء، مستبدلة الطاقة الكامنة الكهربائية بالطاقة الحركية.
- تتبادل هاتان الطائقتان، لكن مجموعهما لا يتغير أبداً.
- حفظ الطاقة، الذي واجهناه للجاذبية، يعمل بنفس الكفاءة للشحنات.
استبدال PE وKE
- شحنة تتحرك خلال مجال تحول PE الكهربائية إلى طاقة حركية (أو العكس).
- $U + \tfrac12 mv^2 = \text{constant}$ لشحنة لا تؤثر عليها قوى أخرى.
- دع شحنة موجبة تُدفع: تنخفض طاقتها الكامنة وتزداد سرعتها.
- ادفعها عكس المجال: تنخفض سرعتها وترتفع طاقتها الكامنة.
عند طرد شحنة موجبة وتسرّعها، طاقتها الجهدية الكهربائية:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
تنخفض PE لأنها تتحول لطاقة حركية؛ المجموع يبقى ثابتًا.
لشحنة بدون قوى أخرى، مجموع PE والطاقة ____ ثابت.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
$U + \tfrac12 mv^2 = \text{constant}$ — تتبادل PE والطاقة الحركية الأدوار.
استخدام الجهد لإيجاد السرعة
- الطاقة التي تكسبها شحنة عند عبورها فرق جهد $\Delta V$ تساوي $W = q\,\Delta V$.
- يمكن أن تتحول كلها إلى طاقة حركية: $q\,\Delta V = \tfrac12 m v^2$.
- هذا بالضبط كيف تعمل مسرعات الجسيمات لتسريع الإلكترونات والبروتونات.
- جهد أكبر أو شحنة أكبر يعني سرعة نهائية أسرع.
شحنة $2\ \text{C}$ تتسارع من السكون عبر $9\ \text{V}$. كم مقدار الطاقة الحركية المكتسبة، بـ $\text{J}$؟
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$\text{KE} = q\Delta V = 2 \times 9 = 18\ \text{J}$.
تستخدم مسرعات الجسيمات الجهد لتحويل الطاقة الجهدية الكهربائية إلى طاقة حركية للشحنات.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
تكتسب الشحنة $q\Delta V$ من الطاقة الحركية عبور الجهد — هكذا تعمل المسرعات.
نفس أدوات الميكانيكا
- حفظ الطاقة يربط بين البداية والنهاية دون تتبع الوسط المعقد.
- اجعل الطاقة الكلية في البداية مساوية للطاقة الكلية في النهاية، ثم حل المعادلة.
- هذا يوحد الكهرباء مع جميع أدوات ميكانيكا الطاقة التي تعرفها بالفعل.
- عندما تكون القوى محتفظة (الجاذبية، الزنبركات، الكهربائية)، يعمل هذا الاختصار.
شحنة تكتسب أو تفقد الطاقة الحركية
عندما تتحرك شحنة خلال مجال، تنتقل الطاقة بين الحركية والجهدية. رتب كل حالة.
حدد جميع العبارات الصحيحة لشحنة تتحرك بحرية في مجال كهربائي.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
الطاقة محفوظة (تتبادل، لا تُخلق)؛ عبور $\Delta V$ ينقل $q\Delta V$.
ينطبق حفظ الطاقة فقط عندما لا تتسرب الطاقة (لا احتكاك أو مقاومة تسرقها). في الدائرة، المحولات تحول الطاقة الكهربائية إلى حرارة، لذلك هناك الطاقة محفوظة إجمالياً ولكن لا تُخزن كطاقة حركية — تابع أين تذهب.
في دائرة، لماذا لا تتحول كل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية؟
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
المقاومات تحول الطاقة الكهربائية إلى حرارة، لذا الطاقة محفوظة إجمالاً لكنها لا تُخزن كحركة.
شحنة مقدارها $q = 2\ \text{C}$ تُسرَّع من السكون عبر فرق جهد قدره $\Delta V = 9\ \text{V}$. كم مقدار الطاقة الحركية التي تكسبها؟
- $\text{KE} = q\,\Delta V = 2 \times 9 = 18\ \text{J}$.
تتحول جميع طاقة الجهد الكهربائي التي تفقدها إلى طاقة حركية.
حفظ الطاقة الكهربائية: تتبادل الشحنة طاقة الجهد الكهربائي مع الطاقة الحركية بينما يبقى المجموع ثابتاً، $U + \tfrac12 mv^2 = \text{constant}$. عند عبور فرق جهد، تكتسب $W = q\,\Delta V$ — وهكذا تعمل المسرعات. إنه نفس مجموعة أدوات الطاقة الموجودة في الميكانيكا.