Pojęcie potencjału elektrycznego jest jednym z ważnych fundamentów teorii elektrostatyki i elektrodynamiki. Zrozumienie jej istoty jest warunkiem koniecznym do dalszego studiowania tych działów fizyki.
Zawartość
Co to jest potencjał elektryczny
Niech ładunek jednostkowy q zostanie umieszczony w polu utworzonym przez stały ładunek Q, na który wpływa Siła kulombowska F=k*Qq/r.
Tu i poniżej k=((1/4)*π* ε* ε), gdzie ε0 — stała elektryczna (8,85*10-12 F/m), podczas gdy ε jest średnia stała dielektryczna.
Wniesione opłata pod działaniem tej siły może się poruszać, a siła wykona pewną pracę. Oznacza to, że układ dwóch ładunków ma energię potencjalną, która zależy od wielkości obu ładunków i odległości między nimi, a wielkość tej energii potencjalnej nie zależy od wielkości ładunku q. Tutaj wprowadza się definicję potencjału elektrycznego - jest on równy stosunkowi energii potencjalnej pola do wielkości ładunku:
φ=W/q,
gdzie W jest energią potencjalną pola wytworzonego przez układ ładunków, a potencjał jest charakterystyką energii pola. Aby przemieścić ładunek q w polu elektrycznym na pewną odległość, konieczne jest włożenie pewnej ilości pracy w pokonanie sił Coulomba. Potencjał punktu jest równy pracy, którą trzeba włożyć, aby przesunąć ładunek jednostkowy z tego punktu w nieskończoność. Czyniąc to, należy zauważyć, że:
- praca ta będzie równa spadkowi energii potencjalnej ładunku (A=W2-W1);
- praca nie zależy od trajektorii ładunku.
W układzie SI jednostką potencjału jest jeden wolt (w literaturze rosyjskiej jest oznaczony literą V, w literaturze zagranicznej - V). 1 V \u003d 1 J / 1 C, to znaczy, możemy mówić o potencjale punktu 1 wolta, jeśli przeniesienie ładunku o wartości 1 C do nieskończoności zajmuje 1 dżul. Nazwa została wybrana na cześć włoskiego fizyka Alessandro Volty, który wniósł znaczący wkład w rozwój elektrotechniki.
Aby zobrazować, czym jest potencjał, można go porównać z temperaturą dwóch ciał lub temperaturą mierzoną w różnych punktach przestrzeni. Temperatura jest miarą nagrzewania się obiektów, a potencjał jest miarą ładunku elektrycznego. Mówi się, że jedno ciało nagrzewa się bardziej niż drugie, można też powiedzieć, że jedno ciało jest naładowane bardziej, a drugie mniej. Te ciała mają inny potencjał.
Wartość potencjału zależy od wyboru układu współrzędnych, więc wymagany jest pewien poziom, który należy przyjąć jako zero. Na przykład podczas pomiaru temperatury jako punkt odniesienia można przyjąć temperaturę topnienia lodu.W przypadku potencjału potencjał nieskończenie odległego punktu jest zwykle przyjmowany jako poziom zerowy, ale w celu rozwiązania niektórych problemów, na przykład, potencjał masy lub potencjał jednej z płytek kondensatora można uznać za zero.
Potencjalne właściwości
Wśród ważnych właściwości potencjału należy zwrócić uwagę na:
- jeśli pole tworzone jest przez kilka ładunków, to potencjał w danym punkcie będzie równy algebraicznej (uwzględniającej znak ładunku) sumie potencjałów tworzonych przez każdy z ładunków φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+…+φn;
- jeśli odległości od ładunków są takie, że same ładunki można uznać za ładunki punktowe, to całkowity potencjał oblicza się ze wzoru φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+…+qn/rn), gdzie r jest odległością od odpowiedniego ładunku rozpatrywanego punktu.
Jeżeli pole tworzy dipol elektryczny (dwa połączone ładunki o przeciwnym znaku), to potencjał w dowolnym punkcie znajdującym się w odległości r od dipola będzie równy φ=k*p*cosά/r2, gdzie:
- p jest elektrycznym ramieniem dipola, równym q*l, gdzie l jest odległością między ładunkami;
- r jest odległością do dipola;
- ά jest kątem między ramieniem dipola a wektorem promienia r.
Jeżeli punkt leży na osi dipola, to cosά=1 i φ=k*p/r2.
Potencjalna różnica
Jeśli dwa punkty mają pewien potencjał i jeśli nie są równe, to mówią, że istnieje różnica potencjałów między tymi dwoma punktami. Różnica potencjałów występuje między punktami:
- którego potencjał określają ładunki o różnych znakach;
- punkt z potencjałem z ładunku dowolnego znaku i punkt o potencjale zerowym;
- punkty, które mają potencjał tego samego znaku, ale różnią się wartością bezwzględną.
Oznacza to, że różnica potencjałów nie zależy od wyboru układu współrzędnych.Można narysować analogię z basenami wodnymi znajdującymi się na różnych wysokościach w stosunku do znaku zerowego (na przykład poziomu morza).
Woda w każdym basenie ma pewną energię potencjalną, ale jeśli połączysz rurką dowolne dwa baseny, to w każdym z nich będzie przepływ wody, którego natężenie przepływu zależy nie tylko od wielkości rury , ale także przez różnicę energii potencjalnych w polu grawitacyjnym Ziemi (czyli różnicę wysokości). W tym przypadku bezwzględna wartość energii potencjalnych nie ma znaczenia.
W ten sam sposób, jeśli połączysz przewodem dwa punkty o różnym potencjale, to popłynie Elektryczność, określony nie tylko rezystancją przewodnika, ale także różnicą potencjałów (ale nie ich wartością bezwzględną). Kontynuując analogię z wodą, możemy powiedzieć, że woda w górnym basenie wkrótce się wyczerpie, a jeśli nie ma siły, która podniesie wodę z powrotem (np. pompa), to przepływ bardzo szybko się zatrzyma.
Tak jest w obwodzie elektrycznym – aby utrzymać różnicę potencjałów na pewnym poziomie, potrzebna jest siła, która przenosi ładunki (a dokładniej nośniki ładunku) do punktu o największym potencjale. Siła ta nazywana jest siłą elektromotoryczną i jest w skrócie EMF. EMF może mieć inny charakter - elektrochemiczny, elektromagnetyczny itp.
W praktyce liczy się przede wszystkim potencjalna różnica między początkowym a końcowym punktem trajektorii nośników ładunku. W tym przypadku różnica ta nazywana jest napięciem, aw SI jest również mierzona w woltach.Możemy mówić o napięciu 1 wolta, jeśli pole działa z 1 dżulem podczas przenoszenia ładunku 1 kulomba z jednego punktu do drugiego, to znaczy 1 V \u003d 1 J / 1 C, a J / C może być również jednostką potencjalna różnica.
Powierzchnie ekwipotencjalne
Jeżeli potencjał kilku punktów jest taki sam, a te punkty tworzą powierzchnię, to taką powierzchnię nazywamy ekwipotencjalną. Taka właściwość ma na przykład sferę otoczoną wokół ładunku elektrycznego, ponieważ pole elektryczne maleje wraz z odległością jednakowo we wszystkich kierunkach.
Wszystkie punkty tej powierzchni mają taką samą energię potencjalną, więc podczas przesuwania ładunku po takiej sferze nie zostanie wydana żadna praca. Powierzchnie ekwipotencjalne układów kilku ładunków mają bardziej złożony kształt, ale mają jedną ciekawą właściwość – nigdy się nie przecinają. Linie siły pola elektrycznego są zawsze prostopadłe do powierzchni o takim samym potencjale w każdym z ich punktów. Jeżeli powierzchnia ekwipotencjalna zostanie przecięta płaszczyzną, otrzymamy linię równych potencjałów. Ma takie same właściwości jak powierzchnia ekwipotencjalna. W praktyce np. punkty na powierzchni przewodnika umieszczonego w polu elektrostatycznym mają równy potencjał.
Po zajęciu się pojęciem potencjału i różnicy potencjałów możesz przystąpić do dalszego badania zjawisk elektrycznych. Ale nie wcześniej, bo bez zrozumienia podstawowych zasad i pojęć pogłębienie wiedzy nie będzie możliwe.
Podobne artykuły:
