每當(dāng)你在地球的引力場(chǎng)中大致移動(dòng)時(shí)，通過(guò)施加能量就可以改變你在這個(gè)場(chǎng)中的位置。同樣，電荷在它們的區(qū)域內(nèi)也有場(chǎng)。因此，如果電荷需要改變其位置，就必須做一些工作。這里的功是電荷的電勢(shì)能或電能。勢(shì)能是從位置或安排發(fā)生的做功的能力。

例如，如果在空間中的某個(gè)點(diǎn)設(shè)置了一個(gè)正電荷“Q”，那么它附近的任何其他正電荷都將面臨排斥力，從而具有勢(shì)能。有不同類型的勢(shì)能，例如重力、彈性、彈簧和電勢(shì)能。因此，本文討論了其中一種勢(shì)能，例如電勢(shì)能。

什么是電勢(shì)能？

電勢(shì)能定義是；當(dāng)物體通過(guò)遠(yuǎn)離電場(chǎng)而獲得一些能量時(shí)。通過(guò)將勢(shì)能除以電荷量，可以獲得任何變化的電勢(shì)。這也稱為靜電勢(shì)或電場(chǎng)勢(shì)。

一個(gè)物體的電勢(shì)能主要取決于兩個(gè)主要因素，一個(gè)是它自己的電荷，另一個(gè)是通過(guò)其他帶電物體的相對(duì)位置。這是一個(gè)標(biāo)量，可以用焦耳來(lái)衡量，用 V、ΔV、ΔU 和 U 表示。電勢(shì)能的維數(shù)公式為 ML^2T^-3A^-1。

測(cè)量任何系統(tǒng)的電勢(shì)能有兩種常用方法。常見(jiàn)的電勢(shì)能單位是伏特 (V) 和電子伏特 (eV)。伏特的基本單位可以簡(jiǎn)單地寫為焦耳每庫(kù)侖 (J/C)。電子伏特或 eV 是系統(tǒng)的電勢(shì)提高 1 伏特后電子獲得的能量總和，電子伏特 (eV) 通常用于測(cè)量核和粒子物理學(xué)中的能量。

電勢(shì)能公式及其推導(dǎo)

考慮以下包含兩點(diǎn)電荷的系統(tǒng)，其中像 q' 這樣的正測(cè)試電荷在通過(guò)下圖所示的像 'q' 這樣的固定點(diǎn)電荷產(chǎn)生的場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)。

在上圖中，點(diǎn)“P”處的電荷“q”是固定的，并通過(guò)上圖所示的 PRS 徑向線從點(diǎn)“R”移動(dòng)到“S”。

讓 P & R 等兩點(diǎn)之間的距離為“r1”，而“r2”為 P & S 等兩點(diǎn)之間的距離。

正測(cè)試電荷上的力的大小可以通過(guò)庫(kù)侖定律給出：

F = (1/4πε0) qq'/r^2

如果電荷 q' 在一個(gè)小位移 'dr' 內(nèi)沿 'S' 方向移動(dòng)，則通過(guò)這個(gè)力完成的功是使小位移 'dr' 為

dW = F.dr

dW = (1/4πε0) qq'/r^2 x dr

當(dāng)測(cè)試裝藥從 R 點(diǎn)移動(dòng)到 S 點(diǎn)（即從 r1 到 r2）時(shí)，在這個(gè)力的整個(gè)過(guò)程中完成的全部功是，

或 W = qq'/4πε0 (1/r1-1/r2)

因此，在 q' 測(cè)試電荷上為這條特定路徑所做的工作主要取決于終點(diǎn)，而不是所走的車道。

將 q' 測(cè)試電荷從兩點(diǎn) R 移動(dòng)到 S 時(shí)完成的功等于將 q' 測(cè)試電荷從兩點(diǎn) R 移動(dòng)到 S 時(shí)勢(shì)能的變化。所以，

W = U(r1) – U(r2)

其中：

U(r1) = qq'/4πε0r1 是 q' 測(cè)試電荷在 'R' 點(diǎn)時(shí)的電勢(shì)能。

U(r2) = qq'/4πε0r2 是 q' 測(cè)試電荷在 'S' 點(diǎn)時(shí)的電勢(shì)能。

因此，在距離 'q' 電荷任意距離 'r' 處 q' 測(cè)試電荷的勢(shì)能可以通過(guò)

U = qq'/4πε0r

上式給出了對(duì)電荷的電勢(shì)能，它主要取決于電荷之間的分配而不是帶電粒子的位置。

如果我們將 q' 測(cè)試電荷從 r2=∞ 距離帶到 r1=r 距離，那么我們必須從電力中做一些功，這相當(dāng)于勢(shì)能的增強(qiáng)，可以由上述等式給出。

因此，測(cè)試電荷在電場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)的勢(shì)能是電力將電荷從很遠(yuǎn)的距離運(yùn)送到所考慮的某個(gè)距離所完成的功。

點(diǎn)電荷引起的電勢(shì)

在電場(chǎng)中，特定點(diǎn)的電勢(shì)可以定義為一旦施加靜電力，通過(guò)任何路徑將正單位電荷從無(wú)窮遠(yuǎn)處移動(dòng)到該點(diǎn)所完成的功。

假設(shè) +ve 電荷位于某個(gè)點(diǎn)，則由于電場(chǎng)的存在，它將使用力。因此，距離正電荷 '+q' 在 'r' 距離處的任意端的電勢(shì)可以給出為

V = (1/4πε0) q/r

其中：

'r' 是 +Ve 電荷的位置向量。

“q”是源電荷。

當(dāng)電位單位為伏特時(shí)，則1V = 1 JC^-1

由于靜電力產(chǎn)生的電場(chǎng)，在將 1 庫(kù)侖電荷從無(wú)窮遠(yuǎn)處移動(dòng)到特定點(diǎn)的過(guò)程中，一旦完成工作，則稱為特定點(diǎn)的 1V 靜電勢(shì)。

類似地，由于多個(gè)電荷的電勢(shì)可以表示為；

電勢(shì)能和電勢(shì)之間的差異

?優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

電勢(shì)能的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)。

• 核能也是一種勢(shì)能，是一種高度一致的能量形式。

• 核電產(chǎn)生的電力相當(dāng)?shù)?，約為 3 至 5 c/kwh，因此建造水力發(fā)電廠極具吸引力。

• 與天然氣和煤炭等其他能源相比，這種能源的成本較低。

電勢(shì)能的缺點(diǎn)是，它取決于電場(chǎng)中物體的電荷。

應(yīng)用

電勢(shì)能的應(yīng)用包括以下內(nèi)容。

• 該能量用于通過(guò)時(shí)變電場(chǎng)來(lái)描述系統(tǒng)內(nèi)的勢(shì)能。

• 這種能量對(duì)于移動(dòng)電荷對(duì)抗電場(chǎng)非常有幫助。

• 電力中的這種能量對(duì)于稱為電壓或電勢(shì)的每個(gè)單位電荷非常方便。

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