විද්‍යුත් විභවය හා විභව ශක්තිය
ඒකකය 6 · ස්ථිති විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රය
විභවය හා විභව අන්තරය, ලක්ෂ්‍ය ආරෝපණවල විභවය, සමවිභව පෘෂ්ඨ, E = −dV/dx, තහඩු අතර ඒකාකාර ක්ෂේත්‍ර, ආරෝපණවල විභව ශක්තිය හා ඉලෙක්ට්‍රෝන වෝල්ට්.
විභවය (Potential) හා විභව අන්තරය
ලක්ෂ්‍යයක විද්‍යුත් විභවය $V$ යනු කුඩා ආරෝපණයක් අනන්තයේ සිට එම ලක්ෂ්‍යයට ගෙන ඒමේ දී ඒකක ධන ආරෝපණයකට කරන කාර්යය යි. ඒකකය වෝල්ට් ($1\ \text{V} = 1\ \text{J C}^{-1}$). A හා B අතර විභව අන්තරය (Potential Difference) යනු ආරෝපණයක් B සිට A දක්වා ගෙන යාමේ දී ඒකක ආරෝපණයකට කරන කාර්යය යි: $W = qV_{AB}$.
$Q$ ලක්ෂ්‍ය ආරෝපණයක් සඳහා: $$V = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_0 r}$$ විභවය අදිශයකි. ආරෝපණ කිහිපයක විභවය ඒවායේ විභවවල ලකුණු සහිත සරල වීජීය එකතුව යි. එබැවින් ක්ෂේත්‍රයට වඩා විභවය භාවිතා කිරීම බොහෝ පහසු ය.
ක්ෂේත්‍රය හා විභවය
$$E = -\frac{dV}{dx}$$ ක්ෂේත්‍රය ඍණ විභව අනුක්‍රමණය යි. ක්ෂේත්‍ර රේඛා ඉහළ විභවයේ සිට පහළ විභවයට යොමු වේ. $d$ දුරින් ඇති, $V$ විභව අන්තරයක් සහිත සමාන්තර තහඩු අතර ඒකාකාර ක්ෂේත්‍රයක: $$E = \frac{V}{d}$$
උදාහරණය: සමාන්තර තහඩු දෙකක් $-10\ \text{V}$ හා $+30\ \text{V}$ විභවවල, $2\ \text{cm}$ දුරින් ඇත. විභව අන්තරය $40\ \text{V}$ බැවින් $E = \dfrac{40}{0.02} = 2000\ \text{V m}^{-1}$. (2023 I පත්‍රයේ ප්‍රශ්නයකි.)
උදාහරණය: ආරෝපිත බිඳිති දෙකක් X ($2m$) හා Y ($m$) තිරස් තහඩු අතර නිසලව රඳවා ඇති බැවින් එක එකක් සඳහා $qE = mg$. එක ම වෝල්ටීයතාවයේ දී තහඩු ළං කළ හොත් $E = \dfrac{V}{d}$ වැඩි වේ. එක් එක් බිඳිත්ත මත විද්‍යුත් බලය එහි බරට සමානුපාතිකව වැඩි වන බැවින් දෙක ම සමාන ත්වරණයකින් ඉහළ නගී. (2023 I පත්‍රයේ ප්‍රශ්නයකි.)
සමවිභව පෘෂ්ඨ (Equipotential Surfaces) එක ම විභවයේ ඇති ලක්ෂ්‍ය යා කරයි. ඒවා සැම විට ම ක්ෂේත්‍ර රේඛාවලට ලම්බක ය. ඒවා දිගේ ආරෝපණයක් ගෙන යාමේ දී කාර්යයක් නැත. ලක්ෂ්‍ය ආරෝපණයක් වටා ඒවා ගෝලාකාර වේ. සමාන්තර තහඩු අතර ඒවා තහඩුවලට සමාන්තර තල වේ. සමතුලිතතාවයේ ඇති සන්නායකයක පෘෂ්ඨය සමවිභව පෘෂ්ඨයකි.
$R$ අරයක් ඇති ආරෝපිත සන්නායක ගෝලයක විභවය පෘෂ්ඨයේ දී $\dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_0 R}$ වන අතර එහි $E = 0$ බැවින් ඇතුළත සෑම තැනක ම එය ම වේ. පිටතින් එය $\dfrac{1}{r}$ ලෙස අඩු වේ. (2024 I පත්‍රයේ ආරෝපිත ගෝලාකාර කබොලක $V$–$r$ ප්‍රස්තාරය කුමක්දැයි අසා ඇත.)
ආරෝපණවල විභව ශක්තිය
ලක්ෂ්‍ය ආරෝපණ දෙකක විභව ශක්තිය $$U = \frac{q_1q_2}{4\pi\varepsilon_0 r}$$ සමාන ආරෝපණ සඳහා එය ධන ය (ඒවා එකට තල්ලු කිරීමට කාර්යය කළ යුතු නිසා). අසමාන ආරෝපණ සඳහා එය ඍණ ය. ආරෝපණ කිහිපයක් සඳහා සෑම යුගලයක ම ශක්තිය එකතු කරන්න.
උදාහරණය: ආරෝපණ තුනක් අනන්තයේ සිට සමපාද ත්‍රිකෝණයක ශීර්ෂවලට ගෙන එයි; ඉන් දෙකක් $+q$ ය. මුළු කාර්යය ශුන්‍ය වීමට: $q\cdot q + q\cdot Q + q\cdot Q = 0$, එබැවින් $Q = -\dfrac{q}{2}$. (2024 I පත්‍රයේ ප්‍රශ්නයකි.)
ආරෝපණ ත්වරණය හා ඉලෙක්ට්‍රෝන වෝල්ට්
$V$ විභව අන්තරයක් හරහා නිදහසේ ගමන් කරන $q$ ආරෝපණයකට $qV$ චාලක ශක්තියක් ලැබේ: $$\tfrac{1}{2}mv^2 = qV$$ ඉලෙක්ට්‍රෝන වෝල්ට් (eV) යනු $1\ \text{V}$ හරහා ගමන් කරන ඉලෙක්ට්‍රෝනයකට ලැබෙන ශක්තිය යි: $1\ \text{eV} = 1.6 \times 10^{-19}\ \text{J}$. එය ශක්තියේ ඒකකයකි. (2023 I පත්‍රයේ ප්‍රශ්නයකි.) $100\ \text{V}$ හරහා ත්වරණය වන ඉලෙක්ට්‍රෝනයකට $100\ \text{eV}$ ලැබේ.