Elektrivälja võib iseloomustada mitte ainult jõuga, mis temas mõjub ühikulise laenguga kehale, vaid ka tööga, mida see jõud võib ära teha. Juba põhikoolis õpitud suuruseks, mis kirjeldab elektrivälja töö kaudu, on pinge. Üldiselt tähendab sõna pinge alati seda, et kohe võib midagi juhtuda. Mõelgem siinkohal väljenditele pingeline olukord või suhted on pingestunud. Seal, kus on tegu elektrilise pingega, võib meie teele juba jääda silt: Kõrgepinge, elukardetav! Mis siis ikkagi on pinge?
Mehaanika kursusest teame, et tööks nimetatakse jõu ja selle mõjumise suunal sooritatud nihke korrutist. Kui keha sooritab jõu mõjul nihke , siis töö avaldub kujul
kus on nurk jõu ja nihke suundade vahel.
Asume uurima tööd, mida teeb kahe erinimeliselt laetud metallplaadi vahel esinev homogeenne elektriväli punktlaengu nihutamisel. Seejuures lähtume sarnasusest Maa raskusvälja ja homogeense elektrivälja vahel. Vaatleme müürilt kõrgusega alla pudenevat kivi massiga . Kivi kukub raskusväljas vaba langemise kiirendusega , sest talle mõjub raskusjõud (J.1.35).
Kivi langeb raskusjõu suunas. Järelikult töö valemis (1.18 ) ja . Maapinnale jõudmise hetkeks on kivi sooritanud nihke s ning raskusväli on seega teinud töö, mis on jõu ja sooritatud nihke (või kõrguse ) korrutis .
Kivi võib lohistada või veeretada ka mööda horisontaalset maapinda. Raskusvälja tööd see aga ei mõjuta, sest jõud ei tee tööd liikumisel jõuga ristuvas sihis (valemis 1.18 ja ).
Laengut q omava keha liikumine homogeenses elektriväljas toimub samal viisil (J.1.36). Kehale mõjub elektrijõud , mis on valemi (1.11 ) kohaselt esitatav laengu ja väljatugevuse korrutisena . Kui keha on sooritanud selle jõu suunalise nihke s (või läbinud pikkuse ) siis elektriväli on teinud töö , mis on jõu ja läbitud tee pikkuse korrutis: .
Laetud keha võib samuti liikuda elektrijõuga ristuvas suunas. Elektrivälja tööd see aga ei mõjuta. Ei raskusväljas ega elektriväljas ei sõltu töö liikumistee ehk trajektoori kujust. Ta sõltub ainult jõujoone sihis läbitud pikkusest (vastavalt või ).
Välja, milles töö ei sõltu liikumistee kujust, nimetatakse potentsiaalseks väljaks, kuna tema kirjeldamisel võib kasutada potentsiaalse energia ja potentsiaali mõisteid. Potentsiaalne energia on tingitud keha vastastikmõjust teiste kehadega välja vahendusel. Kui keha asend võimaldab väljal teha keha nihutades tööd, siis on kehal potentsiaalne energia (ld potentis - suuteline, võimeline). Välja jõudude mõjul liikuva keha potentsiaalne energia kahaneb, sest töö varu kulutatakse ära.
Potentsiaalse energia nulltasemeks on loomulik valida keha niisugune asend, millest keha antud ülesande tingimustes enam välja jõudude mõjul edasi liikuda ei saa. Toodud näites on selleks negatiivselt laetud plaadi asukoht (J.1.37).
Raskusjõu väljas aga on potentsiaalse energia loomulikuks nulltasemeks maapind. Sealt ei ole enam võimalik edasi kukkuda ja raskusjõud rohkem tööd teha ei saa.
Kui kogu potentsiaalne energia liikumisel ära kulutatakse, siis on tema algväärtus võrdne välja poolt tehtud tööga. Raskusväljas kehtib seega Mehaanikast hästi tuntud valem . Punktlaengu potentsiaalne energia homogeenses elektriväljas avaldub vastavalt kujul
kus on punktlaengu kaugus energia nulltasemest või pikkus, mille laetud keha saab nulltasemeni liikudes läbida. Kuna indeksita tähistab elektrifüüsikas alati väljatugevust, siis hakkame edaspidi energia tähistamiseks kasutama E-tähte koos energia liigile viitava indeksiga (siin näiteks kujul ). Väljatugevuse tähisena toimiva E-tähe juures kasutame indekseid vaid erandjuhtudel, mil väljatugevuse ja energia segiajamine on välistatud.
Nagu näeme, sisaldab energia valem nii raskus- kui elektriväljas kõigepealt vaadeldavat keha iseloomustavat suurust ( või ), seejärel välja tugevuse kirjeldajat ( või ) ning lõpuks vaadeldava punkti kaugust energia nulltasemest ( või ).
Nüüd jääb üle vaid küsida, mis on sel kõigel pistmist kodus kasutatava elektrienergiaga. Kui kummaline see ka ei tundu, on seos siiski olemas. Elektriseadmetes liiguvad laengukandjad elektrivälja jõudude mõjul. Laengukandjad liiguvad sealt, kus nende potentsiaalne energia on suur, sellisesse piirkonda, kus energia on väiksem. Seejuures teeb elektriväli meile vajalikku tööd.
Näide 1.5.
Taskulambipirni hõõgniit on 6,5 mm pikkune ja elektrivälja tugevus temas on 700 N/C. Leiame, kui palju tööd teeb elektriväli laengukandjate nihutamisel hõõgniidis ühe tunni jooksul, kui voolutugevus lambis on 0,26 A.
Lahendus
Andmed
Arvutused:
Valemist 1.2 teame, et
Seega
ja
Vastus: Laengukandjate nihutamisel hõõgniidis teeb elektriväli ühe tunni jooksul töö .
Niisama suure töö teeb raskusväli näiteks juhul, kui keha massiga kukub alla 4,3 meetri kõrguselt, seega ligikaudu teise korruse aknast. Ilmselt ei sooviks keegi meist siis parajasti all olla.