Hvad er potentiale og potentiale forskel mellem to punkter

Begrebet elektrisk potentiale er et af de vigtige grundlag for teorien om elektrostatik og elektrodynamik. At forstå dens essens er en nødvendig betingelse for yderligere undersøgelse af disse grene af fysik.

Hvad er elektrisk potentiale

Lad en enhedsladning q placeres i feltet skabt af en fast ladning Q, som påvirkes af Coulomb kraft F=k*Qq/r.

Her og nedenfor k=((1/4)*π* ε* ε), hvor ε_{0 —} elektrisk konstant (8,85*10^-12 F/m), mens ε er medium dielektrisk konstant.

Bidrog oplade under påvirkning af denne kraft kan den bevæge sig, og kraften vil udføre en vis mængde arbejde. Det betyder, at et system med to ladninger har en potentiel energi, der afhænger af størrelsen af ​​begge ladninger og afstanden mellem dem, og størrelsen af ​​denne potentielle energi afhænger ikke af størrelsen af ​​ladningen q. Her introduceres definitionen af ​​det elektriske potentiale - det er lig med forholdet mellem feltets potentielle energi og ladningens størrelse:

φ=W/q,

hvor W er den potentielle energi i feltet, der er skabt af systemet af ladninger, og potentialet er feltets energikarakteristik. For at flytte en ladning q i et elektrisk felt i et stykke tid, er det nødvendigt at bruge en vis mængde arbejde for at overvinde Coulomb-kræfterne. Et punkts potentiale er lig med det arbejde, der skal bruges på at flytte en enhedsladning fra dette punkt til det uendelige. I den forbindelse skal det bemærkes, at:

• dette arbejde vil være lig med faldet i ladningens potentielle energi (A=W₂-W₁);
• arbejdet afhænger ikke af ladningens bane.

I SI-systemet er potentialenheden en volt (i russisk litteratur er det angivet med bogstavet V, i udenlandsk litteratur - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, det vil sige, vi kan tale om potentialet for et punkt på 1 volt, hvis det tager 1 Joule at flytte en ladning på 1 C til det uendelige. Navnet blev valgt til ære for den italienske fysiker Alessandro Volta, som ydede et væsentligt bidrag til udviklingen af ​​elektroteknik.

For at visualisere, hvad et potentiale er, kan det sammenlignes med temperaturen på to legemer eller temperaturen målt på forskellige punkter i rummet. Temperatur er et mål for opvarmning af genstande, og potentiale er et mål for elektrisk ladning. Man siger, at en krop opvarmes mere end en anden, det kan også siges, at den ene krop er mere opladet og den anden mindre. Disse kroppe har forskelligt potentiale.

Værdien af ​​potentialet afhænger af valget af koordinatsystemet, så der kræves et niveau, som skal tages som nul. Ved temperaturmåling kan temperaturen af ​​smeltende is tages som udgangspunkt.For potentialet tages potentialet af et uendeligt fjernt punkt normalt som nul-niveauet, men for at løse nogle problemer, for eksempel, kan jordpotentialet eller potentialet for en af ​​kondensatorpladerne betragtes som nul.

Potentielle egenskaber

Blandt potentialets vigtige egenskaber skal følgende bemærkes:

• hvis feltet er skabt af flere ladninger, så vil potentialet i et bestemt punkt være lig med den algebraiske (under hensyntagen til ladningens fortegn) sum af potentialerne skabt af hver af ladningerne φ=φ₁+φ₂+φ₃+φ₄+φ₅+…+φ_n;
• hvis afstandene fra ladningerne er sådan, at ladningerne i sig selv kan betragtes som punktladninger, så beregnes det samlede potentiale med formlen φ=k*(q₁/r₁+q₂/r₂+q₃/r₃+…+q_n/r_n), hvor r er afstanden fra den tilsvarende ladning af det betragtede punkt.

Hvis feltet er dannet af en elektrisk dipol (to forbundne ladninger af modsat fortegn), så vil potentialet på ethvert punkt placeret i en afstand r fra dipolen være lig φ=k*p*cosά/r², hvor:

• p er dipolens elektriske arm, lig med q*l, hvor l er afstanden mellem ladningerne;
• r er afstanden til dipolen;
• ά er vinklen mellem dipolarmen og radiusvektoren r.

Hvis punktet ligger på dipolens akse, så cosά=1 og φ=k*p/r².

Potentiel forskel

Hvis to punkter har et vist potentiale, og hvis de ikke er ens, så siger de, at der er en potentialforskel mellem de to punkter. Den potentielle forskel opstår mellem punkterne:

• hvis potentiale bestemmes af ladninger af forskellige tegn;
• et punkt med et potentiale fra en ladning af ethvert tegn og et punkt med nul potentiale;
• punkter, der har potentialet til det samme tegn, men som er forskellige i absolut værdi.

Det vil sige, at potentialforskellen ikke afhænger af valget af koordinatsystem.En analogi kan tegnes med vandbassiner placeret i forskellige højder i forhold til nulmærket (for eksempel havniveau).

Vandet i hver pool har en vis potentiel energi, men hvis du forbinder to pools med et rør, vil der i hver af dem være en strøm af vand, hvis strømningshastighed ikke kun bestemmes af størrelsen af ​​røret , men også ved forskellen i potentielle energier i Jordens gravitationsfelt (det vil sige højdeforskellen). Den absolutte værdi af potentielle energier betyder ikke noget i dette tilfælde.

På samme måde, hvis du forbinder to punkter med forskelligt potentiale med en leder, vil den flyde elektricitet, bestemt ikke kun af lederens modstand, men også af potentialforskellen (men ikke af deres absolutte værdi). Hvis vi fortsætter analogien med vand, kan vi sige, at vandet i den øverste pool snart løber tør, og hvis der ikke er nogen kraft, der vil flytte vandet op igen (for eksempel en pumpe), så stopper strømmen meget hurtigt.

Det er altså i et elektrisk kredsløb - for at opretholde en potentialforskel på et vist niveau kræves der en kraft, der overfører ladninger (mere præcist ladningsbærere) til et punkt med det højeste potentiale. Denne kraft kaldes elektromotorisk kraft og forkortes som EMF. EMF kan være af forskellig karakter - elektrokemisk, elektromagnetisk osv.

I praksis er det hovedsageligt den potentielle forskel mellem de indledende og sidste punkter i ladebærernes bane, der betyder noget. I dette tilfælde kaldes denne forskel spænding, og i SI måles den også i volt.Vi kan tale om en spænding på 1 Volt, hvis feltet virker på 1 Joule, når en ladning på 1 Coulomb flyttes fra et punkt til et andet, dvs. 1V \u003d 1J / 1C, og J/C kan også være en enhed af potentiel forskel.

Equipotentiale overflader

Hvis potentialet for flere punkter er det samme, og disse punkter danner en flade, så kaldes en sådan flade ækvipotential. En sådan egenskab har for eksempel en kugle afgrænset omkring en elektrisk ladning, fordi det elektriske felt aftager med afstanden lige meget i alle retninger.

Alle punkter på denne overflade har den samme potentielle energi, så når man flytter en ladning over en sådan kugle, vil der ikke blive brugt noget arbejde. De ækvipotentiale overflader af systemer med flere ladninger har en mere kompleks form, men de har en interessant egenskab - de krydser aldrig hinanden. Det elektriske felts kraftlinjer er altid vinkelrette på overflader med samme potentiale i hvert af deres punkter. Hvis ækvipotentialfladen skæres af et plan, opnås en linje med lige store potentialer. Det har de samme egenskaber som en ækvipotential overflade. I praksis har f.eks. punkter på overfladen af ​​en leder placeret i et elektrostatisk felt et lige stort potentiale.

Efter at have beskæftiget dig med begrebet potentiale og potentialforskel, kan du fortsætte til den videre undersøgelse af elektriske fænomener. Men ikke tidligere, for uden at forstå de grundlæggende principper og begreber, vil det ikke være muligt at uddybe viden.

Lignende artikler: