তড়িৎ বিভবশক্তি

তড়িৎ বিভবশক্তি বা স্থিরতড়িত বিভবশক্তি এক বিশেষ বিভব শক্তি (অবস্থান হেতু কোন পদার্থে নিহিত কার্যক্ষমতা) যা কুলম্ব বল -এর সংরক্ষণের ফলস্বরুপ এবং এটি একটি সিস্টেমের অন্তর্গত একদল বিন্দু আধান(পয়েন্ট চার্জ‌)-এর পরস্পর আপেক্ষিক অবস্থানের উপর নির্ভরশীল। কোন পদার্থের মধ্যে তড়িৎ বিভবশক্তির সঞ্চার হতে পারে, ১. তার অন্তর্নিহিত তড়িৎশক্তি বা তড়িৎ আধানের কারণে এবং ২. তার নিকটবর্তী কোন তড়িৎ আধানসম্পন্ন বৈদ্যুতিকভাবে স্বক্রিয় বস্তুর সাপেক্ষে তার আপেক্ষিক অবস্থানের কারণে। সময়ের সঙ্গে পরিবর্তনশীল কোন তড়িৎক্ষেত্রের অন্ত‌র্নি‌হিত বিভবশক্তিকে সংজ্ঞায়িত করতে তড়িৎ বিভবশক্তি কথাটি ব্যবহৃত হয় এবং স্থিরতড়িত বিভবশক্তি কথাটি ব্যবহার হয় সময়ের সঙ্গে অপরিবর্তনশীল কোন তড়িৎক্ষেত্রের অন্ত‌র্নি‌হিত বিভবশক্তিকে সংজ্ঞায়িত করতে। ধরা যাক শূন্যস্থানে কতকগুলি তরিতশক্তি সম্পন্ন বিন্দু আধান একে অপরের থেকে অসীম দুরত্বে অবস্থান করে একটি সিস্টেম তৈরি করেছে, এবার সেই বিন্দু আধান গুলিকে অসীম দুরত্ব থেকে ধীরে ধীরে একে অপরের কাছে এনে সেই সিস্টেমটিকে সংবলিত করতে কিছু পরিমাণ কার্য‌ সম্পন্ন করতে হয় এবং যে পরিমাণ কার্য‌ সম্পন্ন করতে হয় সেটাই হল সেই সিস্টেমের অন্তর্নিহিত তড়িৎ বিভবশক্তির পরিমাপ। কোন তরিতক্ষেত্র E -এর উপস্থিতিতে, r অবস্থানে স্থিত বিন্দু আধান q -এর স্থিরতড়িত বিভবশক্তি UE -এর পরিমাণ নির্ন‌য় করা হয়, সেই বিন্দু আধানকে তার সাপেক্ষ অবস্থান (রেফারেন্স পজিশন) rref থেকে r অবস্থানে নিয়ে আসার জন্য তরিতক্ষেত্র E -এর দ্বারা যে ঋণাত্মক কার্য‌ সম্পন্ন করা হয় তার মাধ্যমে। U E ( r ) = − W r r e f → r = − ∫ r r e f r q E ( r ′ ) ⋅ d r ′ {\displaystyle U_{\mathrm {E} }(\mathbf {r} )=-W_{r_{\rm {ref}}\rightarrow r}=-\int _{{\mathbf {r} }_{\rm {ref}}}^{\mathbf {r} }q\mathbf {E} (\mathbf {r'} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {r'} } , এখানে, E -এর মাধ্যমে তড়িৎক্ষেত্র এবং dr' নামক একটি স্থানচ্যুতি ভেক্টরের মাধ্যমে, বক্রপথে সাপেক্ষ অবস্থান rref থেকে অন্তিম অবস্থান r -এ বিন্দু আধানের সরনপথ নির্দেশ করা হয়েছে। তড়িৎ বিভব -এর সংজ্ঞা থেকে স্থিরতড়িত বিভবশক্তি -এর মান নির্ণয় করা যায় নিম্নরুপে, ধরা যাক, কোন বিন্দু আধান q -এর অবস্থান r। এবার কোন তড়িৎ বিভব Φ {\displaystyle \scriptstyle \Phi } -এর উপস্থিতিতে সেই বিন্দু আধানের স্থিরতড়িত বিভবশক্তি নির্ণয় করা যায় সেই বিন্দুর তড়িৎ আধান এবং তড়িৎ বিভবের গুনফলের মাধ্যমে। U E ( r ) = q Φ ( r ) {\displaystyle U_{\mathrm {E} }(\mathbf {r} )=q\Phi (\mathbf {r} )} , এখানে Φ {\displaystyle \scriptstyle \Phi } -এর মাধ্যমে বিন্দু আধানগুলির মাধ্যমে উতপন্ন তড়িৎ বিভব-কে নির্দেশ করা হয়েছে যা অবস্থান r -এর উপর নির্ভরশীল। আন্তর্জাতিক একক পদ্ধতি বা এস.আই পদ্ধতি অনুসারে তড়িৎ বিভবশক্তির একক হল জুল যা ইংরেজ পদার্থবিদ জেমস প্রেস্কট জুল -এর নামানুসারে গৃহীত হয়েছে। সিজিএস পদ্ধতি বা সেন্টিমিটার-গ্রাম-সেকেন্ড পদ্ধতিতে শক্তির একক হল আর্গ যা ১০−৭ জুল -এর সমান। তাছারাও ইলেক্ট্রন-ভোল্ট পদ্ধতিতে, ১ ইলেক্ট্রন-ভোল্ট = ১.৬০২×১০−১৯ জুল। ধরা যাক কোন বিন্দু আধান q -এর থেকে r দুরত্বে অবস্থিত অপর এক বিন্দু আধান Q -এর উপস্থিতিতে তার স্থিরতড়িত বিভবশক্তি UE হবে, U E ( r ) = k e q Q r {\displaystyle U_{E}(r)=k_{e}{\frac {qQ}{r}}} , যেখানে, k e = 1 4 π ε 0 {\displaystyle k_{e}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}} হল একটি ধ্রুবক যা কুলম্ব ধ্রুবক নামে পরিচিত। r হল বিন্দু আধান q এবং বিন্দু আধান Q -এর মধ্যবর্তী দুরত্ব এবং q আর Q হল বিন্দু আধানদ্বয়ের অন্তঃস্থিত আধানের পরিমাণ (প্রসঙ্গত উল্লেখ্য যে এগুলি বিন্দু আধানের অন্তঃস্থিত আধানের নিখুঁত পরিমাপ নয় কারণ সুত্রে প্রয়োগ করার সময় ইলেক্ট্রন -এর আধানের ঋণাত্মক মান বিবেচনা করা উচিত)। n সংখ্যক বিন্দু আধান Qi -এর উপস্থিতিতে বিন্দু আধান q -এর স্থিরতড়িত বিভবশক্তি UE হবে, U E ( r ) = k e q ∑ i = 1 n Q i r i {\displaystyle U_{E}(r)=k_{e}q\sum _{i=1}^{n}{\frac {Q_{i}}{r_{i}}}} , যেখানে, k e = 1 4 π ε 0 {\displaystyle k_{e}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}} হল কুলম্ব ধ্রুবক, ri হল বিন্দু আধান q এবং বিন্দু আধান Qi -এর মধ্যবর্তী দুরত্ব এবং q ও Qi হল আধানের মান। কোন সিস্টেম যার মধ্যে N সংখ্যক বিন্দু আধান q1, q2, ..., qN সংবলিত এবং এই বিন্দু আধানগুলির অবস্থান যথাক্রমে, r1, r2, ..., rN হলে তার মধ্যে সঞ্চিত স্থিরতড়িত বিভবশক্তি UE হবে, যেখানে Φ(ri) হল একমাত্র ri অবস্থান ছাড়া, সমস্ত i -এর মানের জন্য নির্ণীত স্থিরতড়িত বিভবের পরিমাণ এবং এর মান হল, Φ ( r i ) = k e ∑ j = 1 N ( j ≠ i ) q j r i j {\displaystyle \Phi (\mathbf {r} _{i})=k_{e}\sum _{j=1}^{N(j\neq i)}{\frac {q_{j}}{\mathbf {r} _{ij}}}} যেখানে rij হল qj এবং qi -এর মধ্যবর্তী দুরত্ব। কোন একক বিন্দু আধান সম্পন্ন সিস্টেমে সঞ্চিত স্থিরতড়িত বিভবশক্তি পরিমাণ সবসময় শূন্য হয় কারণ সেই বিন্দু আধানকে প্রভাবিত করার মত কোনও বাহ্যিক শক্তির উপস্থিতি সেখানে থাকেনা। ধরা যাক একটি বিন্দু আধান q তার অন্তিম অবস্থানে Q1 বিন্দু আধানের নিকটে অবস্থান করছে। Q1 বিন্দু আধানের উপস্থিতিতে স্থিরতরিত বিভব Φ(r) -এর পরিমাণ, Φ ( r ) = k e Q 1 r {\displaystyle \Phi (r)=k_{e}{\frac {Q_{1}}{r}}} সুতরাং Q1 বিন্দু আধানের উপস্থিতিতে স্থিরতড়িত বিভবশক্তির পরিমাণ, U E = 1 4 π ε 0 q Q 1 r 1 {\displaystyle U_{E}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {qQ_{1}}{r_{1}}}} যেখানে r1 হল দুটি বিন্দু আধানের মধ্যবর্তী দুরত্ব। তিনটি বিন্দু আধান Q1, Q2 এবং Q3 সমন্বিত সিস্টেমের স্থিরতড়িত বিভবশক্তির পরিমাণ, U E = 1 4 π ε 0 [ Q 1 Q 2 r 12 + Q 1 Q 3 r 13 + Q 2 Q 3 r 23 ] {\displaystyle 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}}}\right]} যেখানে, r12 হল Q1 এবং Q2 -এর মধ্যবর্তী দুরত্ব, r13 হল Q1 এবং Q3 -এর মধ্যবর্তী দুরত্ব, r23 হল Q2 এবং Q3 -এর মধ্যবর্তী দুরত্ব। সন্তত আধান বিভাজনসম্পন্ন স্থিরতরিত ক্ষেত্রে একক ঘনত্বে সঞ্চিত শক্তি d U d V {\displaystyle {\frac {dU}{dV}}} -র পরিমাণ, u e = d U d V = 1 2 ε 0 | E | 2 . {\displaystyle u_{e}={\frac {dU}{dV}}={\frac {1}{2}}\varepsilon _{0}\left|{\mathbf {E} }\right|^{2}.} একটি ক্যাপাসিটার বা ধারক-এ সঞ্চিত মোট বৈদ্যুতিক সম্ভাব্য শক্তির পরিমাপ, U E = 1 2 Q V = 1 2 C V 2 = Q 2 2 C {\displaystyle U_{E}={\frac {1}{2}}QV={\frac {1}{2}}CV^{2}={\frac {Q^{2}}{2C}}} এখানে C হল ধারকের আধৃতি, V হল তড়িৎ বিভব প্রভেদ এবং Q হল ধারকে সঞ্চিত আধান। তড়িৎক্ষেত্রের মাধ্যমে স্থিরতরিত বিভবশক্তির পরিমাপ করা যায় নিম্নরুপে, U E = 1 2 ∫ V E ⋅ D d V {\displaystyle U_{E}={\frac {1}{2}}\int _{V}\mathrm {E} \cdot \mathrm {D} dV} যেখানে D {\displaystyle \mathrm {D} } হল পরাবৈদ্যুতিক পদার্থের অন্তর্নিহিত তড়িৎ বিচ্যুতিক্ষেত্র এবং সম্পূর্ণ পরাবৈদ্যুতিক পদার্থের আয়তনের উপর ইন্টিগ্রেশন করা হয়েছে। কোন আহিত পরাবৈদ্যুতিক পদার্থে সঞ্চিত স্থিরতরিত বিভবশক্তির পরিমাণ হল, U E = 1 2 ∫ V ρ Φ d V {\displaystyle U_{E}={\frac {1}{2}}\int _{V}\rho \Phi dV} যেখানে ρ {\displaystyle \rho } হল সন্তত আয়তন আধান (কন্টিনিউয়াস ভলিউম চার্জ) এবং সম্পূর্ণ পরাবৈদ্যুতিক পদার্থের আয়তনের উপর ইন্টিগ্রেশন করা হয়েছে। উপরের দুটি সমীকরণ সেই স্থানেই প্রযোজ্য যেখানে আধানের ক্ষুদ্রতম বৃদ্ধির পরিমাণ শূন্য ( d q → 0 {\displaystyle dq\to 0} ), যেমন ধাতব তড়িদ্দ্বারের উপস্থিতিতে পরাবৈদ্যুতিক পদার্থ এবং বহু আধান বাহিত পরাবৈদ্যুতিক পদার্থ। শূন্যকে সাধারণত তখনই প্রসঙ্গ বিন্দু হিসাবে নির্বাচন করা হয় যখন বিন্দু আধানগুলি স্থিতাবস্থায় থাকে এবং তারা পরস্পরের থেকে বেশ ভালভাবে বিছিন্ন (অর্থাৎ পরস্পরের থেকে প্রায় অসীম দুরত্বে স্থিত)। বিকল্পভাবে, তড়িৎ বিভবশক্তিকে এইরুপেও সংজ্ঞায়িত করা যায় যে, বিন্দু আধানকে তার সাপেক্ষ অবস্থান rref থেকে r অবস্থানে নিয়ে আসার জন্য বাহ্যিক শক্তির মাধ্যমে যে W পরিমান কার্য‌ সম্পন্ন করা হয়, তার মান তড়িৎ বিভবশক্তি সমান। যাইহোক, দুইরকম সংজ্ঞা অনুজায়ি একই ফল পাওয়া যায়। উদাহরণস্বরূপ, মাত্র দুটি চার্জের ক্ষেত্রে বিবেচনা করুন। Electromagnetism (2nd edition), I.S. Grant, W.R. Phillips, Manchester Physics Series, 2008 আইএসবিএন ০-৪৭১-৯২৭১২-০ Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jearl (১৯৯৭)। "Electric Potential"। Fundamentals of Physics (5th সংস্করণ)। John Wiley & Sons। আইএসবিএন 0-471-10559-7। উদ্ধৃতি টেমপ্লেট ইংরেজি প্যারামিটার ব্যবহার করেছে (link)