Elektriskā potenciāla jēdziens ir viens no svarīgiem elektrostatikas un elektrodinamikas teorijas pamatiem. Tās būtības izpratne ir nepieciešams nosacījums šo fizikas nozaru tālākai izpētei.
Saturs
Kas ir elektriskais potenciāls
Lai fiksētā lādiņa Q izveidotajā laukā tiktu ievietota vienības maksa q, kuru ietekmē Kulona spēks F=k*Qq/r.
Šeit un zemāk k=((1/4)*π* ε* ε), kur ε0 — elektriskā konstante (8,85*10-12 F/m), kamēr ε ir vidēja dielektriskā konstante.
Ieguldīja maksas šī spēka iedarbībā tas var kustēties, un spēks veiks noteiktu darba apjomu. Tas nozīmē, ka divu lādiņu sistēmai ir potenciālā enerģija, kas ir atkarīga no abu lādiņu lieluma un attāluma starp tiem, un šīs potenciālās enerģijas lielums nav atkarīgs no lādiņa q lieluma. Šeit tiek ieviesta elektriskā potenciāla definīcija - tā ir vienāda ar lauka potenciālās enerģijas attiecību pret lādiņa lielumu:
φ = W/q,
kur W ir lādiņu sistēmas radītā lauka potenciālā enerģija, un potenciāls ir laukam raksturīgā enerģija. Lai kādu attālumu pārvietotu lādiņu q elektriskajā laukā, ir nepieciešams iztērēt noteiktu darba apjomu, lai pārvarētu Kulona spēkus. Punkta potenciāls ir vienāds ar darbu, kas jāpatērē, lai pārvietotu vienības lādiņu no šī punkta uz bezgalību. To darot, jāņem vērā, ka:
- šis darbs būs vienāds ar lādiņa potenciālās enerģijas samazināšanos (A=W2-W1);
- darbs nav atkarīgs no lādiņa trajektorijas.
SI sistēmā potenciāla mērvienība ir viens volts (krievu literatūrā to apzīmē ar burtu V, ārzemju literatūrā - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, tas ir, mēs varam runāt par 1 volta punkta potenciālu, ja ir nepieciešams 1 džouls, lai 1 C lādiņu pārvietotu uz bezgalību. Nosaukums izvēlēts par godu itāļu fiziķim Alesandro Voltam, kurš sniedza nozīmīgu ieguldījumu elektrotehnikas attīstībā.
Lai vizualizētu, kas ir potenciāls, to var salīdzināt ar divu ķermeņu temperatūru vai temperatūru, kas mērīta dažādos telpas punktos. Temperatūra ir objektu sasilšanas mērs, un potenciāls ir elektriskā lādiņa mērs. Mēdz teikt, ka viens ķermenis tiek uzkarsēts vairāk nekā otrs, var arī teikt, ka viens ķermenis tiek uzlādēts vairāk, otrs mazāk. Šiem ķermeņiem ir atšķirīgs potenciāls.
Potenciāla vērtība ir atkarīga no koordinātu sistēmas izvēles, tāpēc ir nepieciešams kāds līmenis, kas jāņem par nulli. Piemēram, mērot temperatūru, par bāzes līniju var ņemt ledus kušanas temperatūru.Potenciālam par nulles līmeni parasti tiek ņemts bezgala attāla punkta potenciāls, bet dažu problēmu risināšanai, piemēram, zemējuma potenciālu vai vienas kondensatora plāksnes potenciālu var uzskatīt par nulli.
Potenciālās īpašības
Starp svarīgām potenciāla īpašībām jāatzīmē:
- ja lauku veido vairāki lādiņi, tad potenciāls konkrētajā punktā būs vienāds ar katra lādiņa radīto potenciālu algebrisko (ņemot vērā lādiņa zīmi) summu φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+…+φn;
- ja attālumi no lādiņiem ir tādi, ka pašus lādiņus var uzskatīt par punktlādiņiem, tad kopējo potenciālu aprēķina pēc formulas φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+…+qn/rn), kur r ir attālums no attiecīgā lādiņa, tad aplūkotā punkta.
Ja lauku veido elektriskais dipols (divi savienoti pretējās zīmes lādiņi), tad potenciāls jebkurā punktā, kas atrodas attālumā r no dipola, būs vienāds ar φ=k*p*cosά/r2, kur:
- p ir dipola elektriskā plecs, kas vienāda ar q*l, kur l ir attālums starp lādiņiem;
- r ir attālums līdz dipolam;
- ά ir leņķis starp dipola plecu un rādiusa vektoru r.
Ja punkts atrodas uz dipola ass, tad cosά=1 un φ=k*p/r2.
Iespējamā atšķirība
Ja diviem punktiem ir noteikts potenciāls un ja tie nav vienādi, tad viņi saka, ka starp diviem punktiem pastāv potenciāla atšķirība. Potenciālā atšķirība rodas starp punktiem:
- kuru potenciālu nosaka dažādu zīmju lādiņi;
- punkts ar potenciālu no jebkuras zīmes lādiņa un punkts ar nulles potenciālu;
- punkti, kuriem ir vienas zīmes potenciāls, bet atšķiras pēc absolūtās vērtības.
Tas ir, potenciālā starpība nav atkarīga no koordinātu sistēmas izvēles.Var vilkt analoģiju ar ūdens baseiniem, kas atrodas dažādos augstumos attiecībā pret nulles atzīmi (piemēram, jūras līmeni).
Katra baseina ūdenim ir noteikta potenciālā enerģija, bet, ja savieno jebkurus divus baseinus ar cauruli, tad katrā no tiem būs ūdens plūsma, kuras plūsmas ātrumu nosaka ne tikai caurules izmērs. , bet arī potenciālo enerģiju atšķirības Zemes gravitācijas laukā (tas ir, augstuma starpība). Potenciālo enerģiju absolūtajai vērtībai šajā gadījumā nav nozīmes.
Tādā pašā veidā, ja jūs savienojat divus punktus ar dažādu potenciālu ar vadītāju, tas plūdīs elektrība, ko nosaka ne tikai vadītāja pretestība, bet arī potenciālu starpība (bet ne to absolūtā vērtība). Turpinot analoģiju ar ūdeni, mēs varam teikt, ka augšējā baseinā ūdens drīz beigsies, un, ja nav spēka, kas pārvietos ūdeni atpakaļ uz augšu (piemēram, sūknis), tad plūsma ļoti ātri apstāsies.
Tā tas ir arī elektriskajā ķēdē - lai saglabātu potenciālu starpību noteiktā līmenī, ir nepieciešams spēks, kas pārnes lādiņus (precīzāk, lādiņnesējus) uz punktu ar vislielāko potenciālu. Šo spēku sauc par elektromotora spēku un saīsināti kā EMF. EML var būt dažāda rakstura - elektroķīmiski, elektromagnētiski utt.
Praksē galvenokārt ir svarīga potenciālā atšķirība starp lādiņu nesēju trajektorijas sākuma un beigu punktiem. Šajā gadījumā šo starpību sauc par spriegumu, un SI to mēra arī voltos.Mēs varam runāt par 1 volta spriegumu, ja lauks strādā ar 1 džoulu, pārvietojot 1 kulona lādiņu no viena punkta uz citu, tas ir, 1V \u003d 1J / 1C, un J / C var būt arī iespējamā atšķirība.
Ekvipotenciālās virsmas
Ja vairāku punktu potenciāls ir vienāds un šie punkti veido virsmu, tad šādu virsmu sauc par ekvipotenciālu. Šādai īpašībai ir, piemēram, ap elektrisko lādiņu norobežota sfēra, jo elektriskais lauks ar attālumu samazinās vienādi visos virzienos.
Visiem šīs virsmas punktiem ir vienāda potenciālā enerģija, tāpēc, pārvietojot lādiņu pa šādu sfēru, darbs netiks iztērēts. Vairāku lādiņu sistēmu ekvipotenciālu virsmām ir sarežģītāka forma, taču tām ir viena interesanta īpašība - tās nekad nekrustojas. Elektriskā lauka spēka līnijas vienmēr ir perpendikulāras virsmām ar vienādu potenciālu katrā no to punktiem. Ja ekvipotenciālu virsmu nogriež ar plakni, tiks iegūta vienādu potenciālu līnija. Tam ir tādas pašas īpašības kā ekvipotenciāla virsmai. Praksē, piemēram, elektrostatiskā laukā novietota vadītāja virsmas punktiem ir vienāds potenciāls.
Tikuši galā ar potenciāla un potenciāla starpības jēdzienu, jūs varat turpināt elektrisko parādību izpēti. Taču ne agrāk, jo, neizprotot pamatprincipus un jēdzienus, zināšanas padziļināt nebūs iespējams.
Līdzīgi raksti:
