Elektrinio potencialo samprata yra vienas iš svarbių elektrostatikos ir elektrodinamikos teorijos pagrindų. Jo esmės supratimas yra būtina sąlyga toliau tiriant šias fizikos šakas.
Turinys
Kas yra elektrinis potencialas
Tegul vienetinis krūvis q yra įdėtas į lauką, kurį sukuria fiksuotas krūvis Q, kurį veikia Kulono jėga F=k*Qq/r.
Čia ir žemiau k=((1/4)*π* ε* ε), kur ε0 — elektrinė konstanta (8,85*10-12 F/m), o ε yra vidutinė dielektrinė konstanta.
Prisidėjo mokestis veikiant šiai jėgai, ji gali judėti, o jėga atliks tam tikrą darbą. Tai reiškia, kad dviejų krūvių sistema turi potencialią energiją, kuri priklauso nuo abiejų krūvių dydžio ir atstumo tarp jų, o šios potencialios energijos dydis nepriklauso nuo krūvio q dydžio. Čia pateikiamas elektrinio potencialo apibrėžimas - jis lygus lauko potencinės energijos ir krūvio dydžio santykiui:
φ = W/q,
čia W – krūvių sistemos sukurto lauko potencinė energija, o potencialas – lauko charakteristika. Norint perkelti krūvį q elektriniame lauke tam tikru atstumu, Kulono jėgoms įveikti reikia atlikti tam tikrą darbo kiekį. Taško potencialas yra lygus darbui, kurį reikia atlikti norint perkelti vienetinį krūvį iš šio taško į begalybę. Tai darant reikia pažymėti, kad:
- šis darbas bus lygus krūvio potencinės energijos sumažėjimui (A=W2-W1);
- darbas nepriklauso nuo krūvio trajektorijos.
SI sistemoje potencialo vienetas yra vienas voltas (rusų literatūroje jis žymimas raide V, užsienio literatūroje - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, tai yra, galime kalbėti apie 1 volto taško potencialą, jei 1 C krūviui perkelti į begalybę reikia 1 džaulio. Pavadinimas pasirinktas italų fiziko Alessandro Voltos, svariai prisidėjusio prie elektrotechnikos plėtros, garbei.
Norint įsivaizduoti, kas yra potencialas, jį galima palyginti su dviejų kūnų temperatūra arba temperatūra, išmatuota skirtinguose erdvės taškuose. Temperatūra yra objektų įkaitimo matas, o potencialas yra elektros krūvio matas. Sakoma, kad vienas kūnas įkaista labiau nei kitas, taip pat galima sakyti, kad vienas kūnas įkraunamas daugiau, kitas mažiau. Šie kūnai turi skirtingą potencialą.
Potencialo reikšmė priklauso nuo koordinačių sistemos pasirinkimo, todėl reikalingas tam tikras lygis, kuris turi būti priimtas kaip nulis. Pavyzdžiui, matuojant temperatūrą, tirpstančio ledo temperatūra gali būti laikoma bazine linija.Potencialui nuliniu lygiu paprastai imamas be galo nutolusio taško potencialas, tačiau sprendžiant kai kurias problemas, pavyzdžiui, įžeminimo potencialas arba vienos iš kondensatoriaus plokštelių potencialas gali būti laikomas nuliu.
Galimos savybės
Tarp svarbių potencialo savybių reikėtų pažymėti:
- jei lauką sukuria keli krūviai, tai potencialas tam tikrame taške bus lygus kiekvieno krūvio sukuriamų potencialų algebrinei (atsižvelgiant į krūvio ženklą) sumai φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+…+φn;
- jei atstumai nuo krūvių yra tokie, kad pačius krūvius galima laikyti taškiniais, tai bendras potencialas apskaičiuojamas pagal formulę φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+…+qn/rn), kur r yra atstumas nuo atitinkamo krūvio, tada nuo nagrinėjamo taško.
Jei lauką sudaro elektrinis dipolis (du sujungti priešingo ženklo krūviai), tai potencialas bet kuriame taške, esančiame atstumu r nuo dipolio, bus lygus φ=k*p*cosά/r2, kur:
- p – elektrinė dipolio petys, lygi q*l, kur l – atstumas tarp krūvių;
- r yra atstumas iki dipolio;
- ά – kampas tarp dipolio peties ir spindulio vektoriaus r.
Jei taškas yra ant dipolio ašies, tai cosά=1 ir φ=k*p/r2.
Potencialus skirtumas
Jei du taškai turi tam tikrą potencialą, o jei jie nėra lygūs, tada jie sako, kad tarp dviejų taškų yra potencialų skirtumas. Potencialų skirtumas atsiranda tarp taškų:
- kurio potencialą lemia skirtingų ženklų krūviai;
- taškas su potencialu iš bet kokio ženklo krūvio ir taškas su nuliniu potencialu;
- taškai, kurie turi to paties ženklo potencialą, bet skiriasi absoliučia verte.
Tai yra, potencialų skirtumas nepriklauso nuo koordinačių sistemos pasirinkimo.Galima daryti analogiją su vandens telkiniais, esančiais skirtinguose aukščiuose, palyginti su nuliniu ženklu (pavyzdžiui, jūros lygiu).
Kiekvieno baseino vanduo turi tam tikrą potencialią energiją, bet jei vamzdeliu sujungsite bet kuriuos du baseinus, tai kiekviename iš jų bus vandens srautas, kurio srautą lemia ne tik vamzdžio dydis. , bet ir potencialių energijų skirtumu Žemės gravitaciniame lauke (tai yra aukščio skirtumu). Absoliuti potencialių energijų vertė šiuo atveju neturi reikšmės.
Lygiai taip pat, jei su laidininku sujungsite du skirtingo potencialo taškus, jis tekės elektros, lemia ne tik laidininko varža, bet ir potencialų skirtumas (bet ne absoliuti jų vertė). Tęsiant analogiją su vandeniu, galima teigti, kad viršutiniame baseine vanduo greitai baigsis, o jei nebus jėgos, kuri vėl judins vandenį aukštyn (pavyzdžiui, siurblys), tai tėkmė labai greitai sustos.
Taip yra ir elektros grandinėje – norint išlaikyti potencialų skirtumą tam tikrame lygyje, reikalinga jėga, kuri perneša krūvius (tiksliau, krūvininkus) į didžiausio potencialo tašką. Ši jėga vadinama elektrovaros jėga ir sutrumpintai vadinama EMF. EML gali būti skirtingo pobūdžio – elektrocheminis, elektromagnetinis ir kt.
Praktikoje daugiausia reikšmės turi potencialų skirtumas tarp pradinio ir galutinio krūvininkų trajektorijos taškų. Šiuo atveju šis skirtumas vadinamas įtampa, o SI jis taip pat matuojamas voltais.Galime kalbėti apie 1 volto įtampą, jei laukas veikia 1 džaulio, kai perkeliamas 1 kulono krūvis iš vieno taško į kitą, tai yra, 1V \u003d 1J / 1C, o J / C taip pat gali būti potencialų skirtumą.
Ekvipotencialūs paviršiai
Jei kelių taškų potencialas yra vienodas, o šie taškai sudaro paviršių, tai toks paviršius vadinamas ekvipotencialu. Tokia savybė turi, pavyzdžiui, aplink elektros krūvį apribotą sferą, nes elektrinis laukas mažėja su atstumu visomis kryptimis vienodai.
Visi šio paviršiaus taškai turi vienodą potencialią energiją, todėl perkeliant krūvį per tokią sferą, darbas nebus išeikvotas. Kelių krūvių sistemų ekvipotencialūs paviršiai turi sudėtingesnę formą, tačiau jie turi vieną įdomią savybę – jie niekada nesikerta. Elektrinio lauko jėgos linijos visada yra statmenos paviršiams, kurių potencialas yra vienodas kiekviename jų taške. Jei ekvipotencialų paviršių perpjauname plokštuma, gaunama lygių potencialų linija. Jis turi tas pačias savybes kaip ir ekvipotencialus paviršius. Praktikoje, pavyzdžiui, elektrostatiniame lauke esantys laidininko paviršiaus taškai turi vienodą potencialą.
Išnagrinėję potencialo ir potencialų skirtumo sampratą, galite pereiti prie tolesnio elektrinių reiškinių tyrimo. Bet ne anksčiau, nes nesuvokus pagrindinių principų ir sąvokų, žinių pagilinti nepavyks.
Panašūs straipsniai:
