Pojem elektrického potenciálu je jedným z dôležitých základov teórie elektrostatiky a elektrodynamiky. Pochopenie jej podstaty je nevyhnutnou podmienkou pre ďalšie štúdium týchto odvetví fyziky.
Obsah
Čo je elektrický potenciál
Nech je jednotkový náboj q umiestnený v poli vytvorenom pevným nábojom Q, ktorý je ovplyvnený Coulombova sila F=k*Qq/r.
Tu a nižšie k=((1/4)*π* ε* ε), kde ε0 — elektrická konštanta (8,85*10-12 F/m), zatiaľ čo ε je stredná dielektrická konštanta.
Prispel poplatok pôsobením tejto sily sa môže pohybovať a sila vykoná určitú prácu. To znamená, že systém dvoch nábojov má potenciálnu energiu, ktorá závisí od veľkosti oboch nábojov a vzdialenosti medzi nimi a veľkosť tejto potenciálnej energie nezávisí od veľkosti náboja q. Tu je zavedená definícia elektrického potenciálu - rovná sa pomeru potenciálnej energie poľa k veľkosti náboja:
φ=W/q,
kde W je potenciálna energia poľa vytvoreného systémom nábojov a potenciál je energia charakteristická pre pole. Na posunutie náboja q v elektrickom poli na určitú vzdialenosť je potrebné vynaložiť určité množstvo práce na prekonanie Coulombových síl. Potenciál bodu sa rovná práci, ktorú treba vynaložiť na presun jednotkového náboja z tohto bodu do nekonečna. Pritom treba poznamenať, že:
- táto práca sa bude rovnať poklesu potenciálnej energie náboja (A=W2-W1);
- práca nezávisí od trajektórie náboja.
V systéme SI je jednotkou potenciálu jeden Volt (v ruskej literatúre sa označuje písmenom V, v zahraničnej literatúre - V). 1 V \u003d 1 J / 1 C, to znamená, že môžeme hovoriť o potenciáli bodu 1 volt, ak na presun náboja o 1 C do nekonečna trvá 1 Joule. Názov bol vybraný na počesť talianskeho fyzika Alessandra Voltu, ktorý významne prispel k rozvoju elektrotechniky.
Na vizualizáciu toho, čo je potenciál, ho možno porovnať s teplotou dvoch telies alebo teplotou nameranou v rôznych bodoch priestoru. Teplota je mierou zahrievania predmetov a potenciál je mierou elektrického náboja. Hovorí sa, že jedno teleso sa zahrieva viac ako druhé, dá sa tiež povedať, že jedno teleso sa nabíja viac a druhé menej. Tieto orgány majú rôzny potenciál.
Hodnota potenciálu závisí od výberu súradnicového systému, preto je potrebná určitá úroveň, ktorú treba brať ako nulu. Napríklad pri meraní teploty možno za základnú líniu brať teplotu topiaceho sa ľadu.Pre potenciál sa potenciál nekonečne vzdialeného bodu zvyčajne berie ako nulová úroveň, ale pre riešenie niektorých problémov možno za nulový považovať napríklad potenciál zeme alebo potenciál jednej z dosiek kondenzátora.
Potenciálne vlastnosti
Medzi dôležité vlastnosti potenciálu je potrebné poznamenať:
- ak je pole vytvorené niekoľkými nábojmi, potom sa potenciál v určitom bode bude rovnať algebraickému (s prihliadnutím na znamienko náboja) súčtu potenciálov vytvorených každým z nábojov φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+…+φn;
- ak sú vzdialenosti od nábojov také, že samotné náboje možno považovať za bodové náboje, potom sa celkový potenciál vypočíta podľa vzorca φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+…+qn/rn), kde r je vzdialenosť od príslušného náboja potom uvažovaného bodu.
Ak je pole tvorené elektrickým dipólom (dva spojené náboje opačného znamienka), potom sa potenciál v akomkoľvek bode vo vzdialenosti r od dipólu bude rovnať φ=k*p*cosά/r2, kde:
- p je elektrické rameno dipólu rovné q*l, kde l je vzdialenosť medzi nábojmi;
- r je vzdialenosť k dipólu;
- ά je uhol medzi ramenom dipólu a vektorom polomeru r.
Ak bod leží na osi dipólu, potom cosά=1 a φ=k*p/r2.
Potenciálny rozdiel
Ak dva body majú určitý potenciál a ak nie sú rovnaké, potom hovoria, že medzi týmito dvoma bodmi je potenciálny rozdiel. Potenciálny rozdiel sa vyskytuje medzi bodmi:
- ktorého potenciál je určený nábojmi rôznych znakov;
- bod s potenciálom z náboja ľubovoľného znamienka a bod s nulovým potenciálom;
- body, ktoré majú potenciál rovnakého znamienka, ale líšia sa v absolútnej hodnote.
To znamená, že potenciálny rozdiel nezávisí od výberu súradnicového systému.Analógiu možno nakresliť s bazénmi vody umiestnenými v rôznych výškach vzhľadom na nulovú značku (napríklad hladina mora).
Voda každého bazéna má určitú potenciálnu energiu, ale ak spojíte dva ľubovoľné bazény trubicou, tak v každom z nich bude prúdiť voda, ktorej prietok je určený nielen veľkosťou trubice. , ale aj rozdielom potenciálnych energií v gravitačnom poli Zeme (teda výškovým rozdielom). Absolútna hodnota potenciálnych energií v tomto prípade nezáleží.
Rovnakým spôsobom, ak spojíte dva body s rôznym potenciálom s vodičom, bude prúdiť elektriny, určené nielen odporom vodiča, ale aj rozdielom potenciálov (nie však ich absolútnou hodnotou). Ak budeme pokračovať v analógii s vodou, môžeme povedať, že voda v hornom bazéne sa čoskoro minie a ak nepôsobí žiadna sila, ktorá by vodu posunula späť hore (napríklad čerpadlo), tak sa tok veľmi rýchlo zastaví.
Tak je to v elektrickom obvode - na udržanie rozdielu potenciálov na určitej úrovni je potrebná sila, ktorá prenáša náboje (presnejšie nosiče náboja) do bodu s najvyšším potenciálom. Táto sila sa nazýva elektromotorická sila a je skrátená ako EMF. EMF môže mať iný charakter - elektrochemický, elektromagnetický atď.
V praxi je dôležitý najmä potenciálny rozdiel medzi počiatočným a konečným bodom trajektórie nosičov náboja. V tomto prípade sa tento rozdiel nazýva napätie a v SI sa tiež meria vo voltoch.Môžeme hovoriť o napätí 1 volt, ak pole pri premiestňovaní náboja 1 Coulomb z jedného bodu do druhého funguje 1 Joule, to znamená, že 1V \u003d 1J / 1C a J / C môže byť tiež jednotkou potenciálny rozdiel.
Ekvipotenciálne plochy
Ak je potenciál viacerých bodov rovnaký a tieto body tvoria plochu, potom sa takáto plocha nazýva ekvipotenciálna. Takúto vlastnosť má napríklad guľa opísaná okolo elektrického náboja, pretože elektrické pole klesá so vzdialenosťou rovnako vo všetkých smeroch.
Všetky body tohto povrchu majú rovnakú potenciálnu energiu, takže pri pohybe náboja po takejto guli nebude vynaložená žiadna práca. Ekvipotenciálne plochy sústav viacerých nábojov majú zložitejší tvar, no majú jednu zaujímavú vlastnosť – nikdy sa nepretínajú. Siločiary elektrického poľa sú vždy kolmé na povrchy s rovnakým potenciálom v každom z ich bodov. Ak je ekvipotenciálna plocha prerezaná rovinou, získa sa čiara rovnakých potenciálov. Má rovnaké vlastnosti ako ekvipotenciálna plocha. V praxi majú napríklad body na povrchu vodiča umiestneného v elektrostatickom poli rovnaký potenciál.
Po zaoberaní sa pojmom potenciál a potenciálny rozdiel môžete pokračovať v ďalšom štúdiu elektrických javov. Nie však skôr, pretože bez pochopenia základných princípov a pojmov nebude možné prehĺbiť vedomosti.
Podobné články:
