حفظ الطاقة الكهربائية
مُقدَّم| English | المعنى |
|---|---|
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | الطاقة الحركية |
| potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ | فرق الجهد |
| electron-volt/ɪˈlektrɒn vəʊlt/ | إلكترون فولت |
اترك الشحنة تنطلق وتتحول الطاقة المخزنة إلى سرعة
- أطلِق شحنة في مجال فتتسارع تلقائياً.
- تتناقص طاقتها الكهربائية الكامنة بينما تزداد طاقتها الحركية.
- تبقى الطاقة الكلية ثابتة — لا شيء يضيع.
- هذه الفكرة البسيطة تحل مسائل كانت صعبة باستخدام القوى وحدها.
الطاقة محفوظة
- مع وجود قوة كهربائية واحدة فقط تعمل: $\Delta KE + \Delta U = 0$.
- الطاقة تتحول فقط من شكل لآخر، من كامنة إلى حركية (أو العكس).
- لذا فإن زيادة السرعة تُدفع ثمنها بانخفاض الطاقة الكامنة.
- لا حاجة لتتبع القوة المتغيرة على طول المسار — فقط النقاط الابتدائية والنهائية.
تُطلق شحنة في مجال (تعمل فقط القوة الكهربائية). بينما تزداد سرعتها، تكون طاقتها الجهدية:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
$\Delta KE + \Delta U = 0$: بينما ترتفع الطاقة الحركية، ينخفض $U$.
شحنة تسقط عبر فرق جهد
- نقل شحنة $q$ عبر فرق جهد $\Delta V$ يغير طاقتها بمقدار $q\,\Delta V$.
- إذا كانت هذه هي القوة الوحيدة: $q\,\Delta V = \Delta KE = \tfrac12 m v^2$ (من السكون).
- شحنة $+$ تزداد سرعتها بالتحرك نحو جهد أقل؛ وشحنة $-$ تزداد سرعتها بالتحرك نحو جهد أعلى.
- إشارة الشحنة تحدد أي الاتجاهين يُعدّ "أسفل".
شحنة $2\ \text{C}$ تسقط عبر $\Delta V = 5\ \text{V}$. كم مقدار الطاقة الحركية (بالجول) التي تكسبها؟
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$KE = q\,\Delta V = 2 \times 5 = 10\ \text{J}$.
يزداد سرعة الإلكترون عندما يتحرك نحو:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
الشحنة السالبة تكتسب طاقة حركية عند التحرك نحو $V$ أعلى ($q\Delta V < 0$ الخاص بها يعني $\Delta U < 0$).
وحدة عملية: الإلكترون-فولت
- واحد إلكترون-فولت (eV) هو الطاقة التي يكسبها إلكترون عند عبور $1\ \text{V}$.
- $1\ \text{eV} = 1.6\times10^{-19}\ \text{J}$ — صغيرة جداً، لكنها مثالية للجسيمات.
- المسرعات تذكر الطاقات بـ keV و MeV و GeV.
- توفر كتابة قوى العشرة المعقدة للشحنات المفردة.
زيادة السرعة أو تقليلها؟
عندما تتحرك شحنة خلال مجال، تتحول الطاقة بين الحركية والجهدية. رتب كل حالة.
الطاقة التي تكسبها إلكترون عند عبوره $1\ \text{V}$ هي واحد ____.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
تلك الطاقة تساوي $1\ \text{eV} = 1.6\times10^{-19}\ \text{J}$.
المسار لا يهم
- يعتمد تغير الطاقة فقط على جهود البداية والنهاية.
- أي مسار بينهما يعطي نفس $q\,\Delta V$.
- القوة الكهربائية محفوظة — مثل الجاذبية.
- هذا بالضبط هو سبب إمكانية وجود جهد (رقم واحد لكل نقطة).
التغير في الطاقة $q\Delta V$ يعتمد فقط على جهود البداية والنهاية، وليس المسار.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
القوة الكهربائية محفظة — مستقلة عن المسار.
حدد جميع العبارات الصحيحة حول حفظ الطاقة الكهربائية.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
الطاقة الكلية محفوظة، والقوة محفظة، والفولت-إلكترون هو طاقة. المسار لا يهم.
إلكترون (شحنته $e$) يُسرع من السكون عبر $100\ \text{V}$. أوجد طاقته الحركية.
- $KE = q\,\Delta V = e \times 100\ \text{V} = 100\ \text{eV}$.
- بالجول: $100 \times 1.6\times10^{-19} = 1.6\times10^{-17}\ \text{J}$.
راقب إشارة الشحنة. الشحنة الموجبة تزداد سرعتها بالتحرك نحو جهد أقل، لكن الشحنة السالبة (مثل الإلكترون) تزداد سرعتها بالتحرك نحو جهد أعلى. الطاقة $q\,\Delta V$ تحمل هذه الإشارة تلقائياً.
مع وجود القوة الكهربائية وحدها، الطاقة محفوظة: $\Delta KE + \Delta U = 0$. الشحنة التي تمر عبر $\Delta V$ تكسب $q\,\Delta V$ من الطاقة، فتصبح $q\,\Delta V = \tfrac12 m v^2$ من السكون. القوة محفوظة (مستقلة عن المسار)، والوحدة العملية هي الإلكترون-فولت.