Begrepet elektrisk potensial er et av de viktige grunnlagene for teorien om elektrostatikk og elektrodynamikk. Å forstå dens essens er en nødvendig betingelse for videre studier av disse grenene av fysikk.
Innhold
Hva er elektrisk potensial
La en enhetsladning q plasseres i feltet skapt av en fast ladning Q, som påvirkes av Coulomb styrke F=k*Qq/r.
Her og under k=((1/4)*π* ε* ε), hvor ε0 — elektrisk konstant (8,85*10-12 F/m), mens ε er middels dielektrisk konstant.
Bidro lade under påvirkning av denne kraften kan den bevege seg, og kraften vil gjøre en viss mengde arbeid. Dette betyr at et system med to ladninger har en potensiell energi som avhenger av størrelsen på begge ladningene og avstanden mellom dem, og størrelsen på denne potensielle energien avhenger ikke av størrelsen på ladningen q. Her introduseres definisjonen av det elektriske potensialet - det er lik forholdet mellom den potensielle energien til feltet og størrelsen på ladningen:
φ=W/q,
hvor W er den potensielle energien til feltet skapt av systemet av ladninger, og potensialet er energikarakteristikken til feltet. For å flytte en ladning q i et elektrisk felt over et stykke, er det nødvendig å bruke en viss mengde arbeid for å overvinne Coulomb-kreftene. Potensialet til et punkt er lik arbeidet som må brukes for å flytte en enhetsladning fra dette punktet til uendelig. Når du gjør dette, bør det bemerkes at:
- dette arbeidet vil være lik reduksjonen i den potensielle energien til ladningen (A=W2-W1);
- arbeidet er ikke avhengig av ladningens bane.
I SI-systemet er potensialenheten en volt (i russisk litteratur er det betegnet med bokstaven V, i utenlandsk litteratur - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, det vil si at vi kan snakke om potensialet til et punkt på 1 volt, hvis det tar 1 Joule å flytte en ladning på 1 C til uendelig. Navnet ble valgt til ære for den italienske fysikeren Alessandro Volta, som ga et betydelig bidrag til utviklingen av elektroteknikk.
For å visualisere hva et potensial er, kan det sammenlignes med temperaturen til to kropper eller temperaturen målt på forskjellige punkter i rommet. Temperatur er et mål på oppvarming av gjenstander, og potensial er et mål på elektrisk ladning. Det sies at en kropp varmes opp mer enn en annen, det kan også sies at den ene kroppen er mer ladet og den andre mindre. Disse kroppene har forskjellig potensial.
Verdien av potensialet avhenger av valget av koordinatsystemet, så det kreves et visst nivå, som må tas som null. Ved temperaturmåling kan for eksempel temperaturen på smeltende is tas som utgangspunkt.For potensialet tas vanligvis potensialet til et uendelig fjernt punkt som nullnivå, men for å løse noen problemer, for eksempel kan jordpotensialet eller potensialet til en av kondensatorplatene betraktes som null.
Potensielle egenskaper
Blant de viktige egenskapene til potensialet, bør følgende bemerkes:
- hvis feltet er skapt av flere ladninger, vil potensialet ved et bestemt punkt være lik den algebraiske (tar hensyn til fortegnet for ladningen) summen av potensialene skapt av hver av ladningene φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+…+φn;
- hvis avstandene fra ladningene er slik at selve ladningene kan betraktes som punktladninger, beregnes det totale potensialet med formelen φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+…+qn/rn), hvor r er avstanden fra den tilsvarende ladningen til det betraktede punktet.
Hvis feltet er dannet av en elektrisk dipol (to tilkoblede ladninger med motsatt fortegn), vil potensialet på ethvert punkt i en avstand r fra dipolen være lik φ=k*p*cosά/r2, hvor:
- p er dipolens elektriske arm, lik q*l, der l er avstanden mellom ladningene;
- r er avstanden til dipolen;
- ά er vinkelen mellom dipolarmen og radiusvektoren r.
Hvis punktet ligger på dipolens akse, så cosά=1 og φ=k*p/r2.
Potensiell forskjell
Hvis to punkter har et visst potensial, og hvis de ikke er like, så sier de at det er en potensialforskjell mellom de to punktene. Potensialforskjellen oppstår mellom punktene:
- hvis potensial bestemmes av ladninger av forskjellige tegn;
- et punkt med et potensial fra en ladning av et hvilket som helst tegn og et punkt med null potensial;
- punkter som har potensialet til samme tegn, men som er forskjellige i absolutt verdi.
Det vil si at potensialforskjellen ikke er avhengig av valg av koordinatsystem.En analogi kan tegnes med vannbassenger plassert i forskjellige høyder i forhold til nullmerket (for eksempel havnivå).
Vannet i hvert basseng har en viss potensiell energi, men hvis du kobler to bassenger med et rør, vil det i hver av dem være en vannstrøm, hvis strømningshastighet bestemmes ikke bare av størrelsen på røret , men også av forskjellen i potensielle energier i jordens gravitasjonsfelt (det vil si høydeforskjellen). Den absolutte verdien av potensielle energier spiller ingen rolle i dette tilfellet.
På samme måte, hvis du kobler to punkter med forskjellig potensial med en leder, vil den flyte elektrisitet, bestemt ikke bare av motstanden til lederen, men også av potensialforskjellen (men ikke av deres absolutte verdi). Hvis vi fortsetter analogien med vann, kan vi si at vannet i det øvre bassenget snart vil renne ut, og hvis det ikke er noen kraft som vil flytte vannet opp igjen (for eksempel en pumpe), vil strømmen stoppe veldig raskt.
Så det er i en elektrisk krets - for å opprettholde en potensialforskjell på et visst nivå, kreves det en kraft som overfører ladninger (mer presist ladningsbærere) til et punkt med høyest potensial. Denne kraften kalles elektromotorisk kraft og er forkortet som EMF. EMF kan være av en annen karakter - elektrokjemisk, elektromagnetisk, etc.
I praksis er det i hovedsak den potensielle forskjellen mellom startpunkt og sluttpunkt i banen til ladningsbærere som betyr noe. I dette tilfellet kalles denne forskjellen spenning, og i SI måles den også i volt.Vi kan snakke om en spenning på 1 Volt hvis feltet fungerer på 1 Joule når en ladning på 1 Coulomb flyttes fra ett punkt til et annet, det vil si 1V \u003d 1J / 1C, og J / C kan også være en enhet på potensiell forskjell.
Ekvipotensialflater
Hvis potensialet til flere punkter er det samme, og disse punktene danner en flate, kalles en slik flate ekvipotensial. En slik egenskap har for eksempel en kule omskrevet rundt en elektrisk ladning, fordi det elektriske feltet avtar med avstanden likt i alle retninger.
Alle punktene på denne overflaten har samme potensielle energi, så når du flytter en ladning over en slik sfære, vil det ikke bli brukt noe arbeid. Ekvipotensialflatene til systemer med flere ladninger har en mer kompleks form, men de har en interessant egenskap - de krysser aldri hverandre. Kraftlinjene til det elektriske feltet er alltid vinkelrett på overflater med samme potensial på hvert av punktene deres. Hvis ekvipotensialflaten er kuttet av et plan, vil en linje med like potensialer oppnås. Den har samme egenskaper som en ekvipotensialoverflate. I praksis har for eksempel punkter på overflaten av en leder plassert i et elektrostatisk felt likt potensial.
Etter å ha behandlet konseptet potensial og potensiell forskjell, kan du gå videre til den videre studien av elektriske fenomener. Men ikke tidligere, for uten å forstå de grunnleggende prinsippene og begrepene vil det ikke være mulig å utdype kunnskap.
Lignende artikler:
