Koncept električnega potenciala je eden od pomembnih temeljev teorije elektrostatike in elektrodinamike. Razumevanje njegovega bistva je nujen pogoj za nadaljnji študij teh vej fizike.
Vsebina
Kaj je električni potencial
Naj se enotni naboj q postavi v polje, ki ga ustvari fiksni naboj Q, na katerega vpliva Coulonova sila F=k*Qq/r.
Tukaj in spodaj k=((1/4)*π* ε* ε), kjer je ε0 — električna konstanta (8,85*10-12 F/m), medtem ko je ε srednja dielektrična konstanta.
Prispevek napolniti pod delovanjem te sile se lahko premika, sila pa bo opravila določeno količino dela. To pomeni, da ima sistem dveh nabojev potencialno energijo, ki je odvisna od velikosti obeh nabojev in razdalje med njima, velikost te potencialne energije pa ni odvisna od velikosti naboja q. Tu je uvedena definicija električnega potenciala - enak je razmerju potencialne energije polja in velikosti naboja:
φ=W/q,
kjer je W potencialna energija polja, ki ga ustvari sistem nabojev, potencial pa energijska značilnost polja. Za premikanje naboja q v električnem polju za določeno razdaljo je potrebno porabiti določeno količino dela za premagovanje Coulombovih sil. Potencial točke je enak delu, ki ga je treba porabiti, da se enotni naboj premakne iz te točke v neskončnost. Pri tem je treba opozoriti, da:
- to delo bo enako zmanjšanju potencialne energije naboja (A=W2-W1);
- delo ni odvisno od poti naboja.
V sistemu SI je enota potenciala en Volt (v ruski literaturi je označena s črko V, v tuji literaturi - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, torej lahko govorimo o potencialu točke 1 volta, če je potreben 1 Joule, da premakne naboj 1 C v neskončnost. Ime je bilo izbrano v čast italijanskemu fiziku Alessandru Volti, ki je pomembno prispeval k razvoju elektrotehnike.
Če želite vizualizirati, kaj je potencial, ga lahko primerjamo s temperaturo dveh teles ali temperaturo, izmerjeno na različnih točkah v prostoru. Temperatura je merilo segrevanja predmetov, potencial pa je merilo električnega naboja. Pravijo, da se eno telo segreje bolj kot drugo, lahko rečemo tudi, da je eno telo naelektreno bolj, drugo pa manj. Ta telesa imajo različen potencial.
Vrednost potenciala je odvisna od izbire koordinatnega sistema, zato je potrebna neka raven, ki jo je treba vzeti za nič. Pri merjenju temperature, na primer, lahko za izhodišče vzamemo temperaturo taljenega ledu.Za potencial se potencial neskončno oddaljene točke običajno vzame kot ničelna raven, za reševanje nekaterih problemov pa se lahko na primer zemeljski potencial ali potencial ene od kondenzatorskih plošč šteje za nič.
Potencialne lastnosti
Med pomembnimi lastnostmi potenciala je treba omeniti naslednje:
- če polje ustvarja več nabojev, bo potencial na določeni točki enak algebraični (ob upoštevanju predznaka naboja) vsoti potencialov, ki jih ustvari vsak od nabojev φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+…+φn;
- če so razdalje od nabojev takšne, da lahko same naboje obravnavamo kot točkovne naboje, potem se skupni potencial izračuna po formuli φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+…+qn/rn), kjer je r oddaljenost od ustreznega naboja nato obravnavane točke.
Če polje tvori električni dipol (dva povezana naboja nasprotnega predznaka), bo potencial na kateri koli točki, ki se nahaja na razdalji r od dipola, enak φ=k*p*cosά/r2, kje:
- p je električni krak dipola, enak q*l, kjer je l razdalja med naboji;
- r je razdalja do dipola;
- ά je kot med krakom dipola in vektorjem polmera r.
Če točka leži na osi dipola, potem je cosά=1 in φ=k*p/r2.
Potencialna razlika
Če imata dve točki določen potencial in če nista enaki, potem pravijo, da obstaja potencialna razlika med obema točkama. Potencialna razlika se pojavi med točkami:
- katerega potencial določajo naboji različnih predznakov;
- točka s potencialom iz naboja katerega koli predznaka in točka z ničelnim potencialom;
- točke, ki imajo potencial enakega predznaka, vendar se razlikujejo po absolutni vrednosti.
To pomeni, da potencialna razlika ni odvisna od izbire koordinatnega sistema.Analogijo lahko potegnemo z vodnimi bazeni, ki se nahajajo na različnih višinah glede na ničelno oznako (na primer gladina morja).
Voda vsakega bazena ima določeno potencialno energijo, če pa poljubna dva bazena povežete s cevjo, potem bo v vsakem od njih pretok vode, katerega pretok ni določen samo z velikostjo cevi. , temveč tudi zaradi razlike potencialnih energij v Zemljinem gravitacijskem polju (to je višinske razlike). Absolutna vrednost potencialnih energij v tem primeru ni pomembna.
Na enak način, če z vodnikom povežete dve točki z različnim potencialom, bo ta tekel elektrika, ki ga ne določa le upor prevodnika, temveč tudi potencialna razlika (ne pa njihova absolutna vrednost). Če nadaljujemo analogijo z vodo, lahko rečemo, da bo voda v zgornjem bazenu kmalu iztekla, in če ni sile, ki bi vodo premaknila nazaj navzgor (na primer črpalka), se bo tok zelo hitro ustavil.
Tako je v električnem tokokrogu - da bi ohranili potencialno razliko na določeni ravni, je potrebna sila, ki prenaša naboje (natančneje, nosilce naboja) na točko z največjim potencialom. Ta sila se imenuje elektromotorna sila in je skrajšana kot EMF. EMF je lahko drugačne narave - elektrokemični, elektromagnetni itd.
V praksi je pomembna predvsem potencialna razlika med začetno in končno točko trajektorije nosilcev naboja. V tem primeru se ta razlika imenuje napetost, v SI pa se meri tudi v voltih.Lahko govorimo o napetosti 1 Volt, če polje deluje 1 Joule pri premikanju naboja 1 Coulomb iz ene točke v drugo, to je 1V \u003d 1J / 1C, J / C pa je lahko tudi enota potencialna razlika.
Ekvipotencialne površine
Če je potencial več točk enak in te točke tvorijo površino, se taka površina imenuje ekvipotencialna. Takšno lastnost ima na primer krogla, ki je opisana okoli električnega naboja, ker se električno polje z razdaljo zmanjšuje enako v vseh smereh.
Vse točke te površine imajo enako potencialno energijo, zato pri premikanju naboja čez takšno kroglo ne bo porabljenega dela. Ekvipotencialne površine sistemov z več naboji imajo bolj zapleteno obliko, vendar imajo eno zanimivo lastnost - nikoli se ne sekajo. Silne črte električnega polja so vedno pravokotne na površine z enakim potencialom na vsaki točki. Če ekvipotencialno površino prerežemo z ravnino, dobimo črto enakih potencialov. Ima enake lastnosti kot ekvipotencialna površina. V praksi imajo na primer točke na površini prevodnika, ki je postavljen v elektrostatično polje, enak potencial.
Ko se ukvarjate s konceptom potenciala in potencialne razlike, lahko nadaljujete z nadaljnjim preučevanjem električnih pojavov. A ne prej, saj brez razumevanja osnovnih načel in konceptov znanja ne bo mogoče poglobiti.
Podobni članki:
