Концепцията за електрически потенциал е една от важните основи на теорията на електростатиката и електродинамиката. Разбирането на същността му е необходимо условие за по-нататъшно изучаване на тези клонове на физиката.
Съдържание
Какво е електрически потенциал
Нека единичен заряд q бъде поставен в полето, създадено от фиксиран заряд Q, който е засегнат от Кулонова сила F=k*Qq/r.
Тук и по-долу k=((1/4)*π* ε* ε), където ε0 — електрическа константа (8,85*10-12 F/m), докато ε е средна диелектрична константа.
Допринесъл зареждане под действието на тази сила, тя може да се движи и силата ще извърши определено количество работа. Това означава, че система от два заряда има потенциална енергия, която зависи от големината на двата заряда и разстоянието между тях, а големината на тази потенциална енергия не зависи от големината на заряда q. Тук се въвежда определението за електрически потенциал - той е равен на съотношението на потенциалната енергия на полето към големината на заряда:
φ=W/q,
където W е потенциалната енергия на полето, създадено от системата от заряди, а потенциалът е енергийната характеристика на полето. За да преместите заряд q в електрическо поле на известно разстояние, е необходимо да се изразходва известно количество работа за преодоляване на кулоновите сили. Потенциалът на точка е равен на работата, която трябва да се изразходва, за да се премести единичен заряд от тази точка до безкрайност. При това трябва да се отбележи, че:
- тази работа ще бъде равна на намаляването на потенциалната енергия на заряда (A=W2-W1);
- работата не зависи от траекторията на заряда.
В системата SI единицата за потенциал е един волт (в руската литература се обозначава с буквата V, в чуждата литература - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, тоест можем да говорим за потенциала на точка от 1 волт, ако е необходим 1 джаул за преместване на заряд от 1 C до безкрайност. Името е избрано в чест на италианския физик Алесандро Волта, който има значителен принос в развитието на електротехниката.
За да си представим какво представлява потенциалът, той може да се сравни с температурата на две тела или с температурата, измерена в различни точки от пространството. Температурата е мярка за нагряването на обектите, а потенциалът е мярка за електрическия заряд. Казва се, че едно тяло се нагрява повече от друго, може също да се каже, че едното тяло е заредено повече, а другото по-малко. Тези тела имат различен потенциал.
Стойността на потенциала зависи от избора на координатна система, така че е необходимо някакво ниво, което трябва да се приеме за нула. При измерване на температурата, например, температурата на топещия се лед може да се приеме за базова линия.За потенциал потенциалът на безкрайно далечна точка обикновено се приема като нулево ниво, но за решаване на някои проблеми, например, потенциалът на земята или потенциалът на една от кондензаторните пластини може да се счита за нула.
Потенциални свойства
Сред важните свойства на потенциала трябва да се отбележи следното:
- ако полето е създадено от няколко заряда, тогава потенциалът в определена точка ще бъде равен на алгебричната (като се вземе предвид знака на заряда) сума на потенциалите, създадени от всеки от зарядите φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+…+φн;
- ако разстоянията от зарядите са такива, че самите заряди могат да се разглеждат като точкови заряди, тогава общият потенциал се изчислява по формулата φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+…+qн/rн), където r е разстоянието от съответния заряд тогава до разглежданата точка.
Ако полето се формира от електрически дипол (два свързани заряда с противоположен знак), тогава потенциалът във всяка точка, разположена на разстояние r от дипола, ще бъде равен на φ=k*p*cosά/r2, където:
- p е електрическото рамо на дипола, равно на q*l, където l е разстоянието между зарядите;
- r е разстоянието до дипола;
- ά е ъгълът между диполното рамо и радиус вектора r.
Ако точката лежи върху оста на дипола, тогава cosά=1 и φ=k*p/r2.
Потенциална разлика
Ако две точки имат определен потенциал и ако те не са равни, тогава те казват, че има потенциална разлика между двете точки. Потенциалната разлика възниква между точките:
- чийто потенциал се определя от заряди с различни знаци;
- точка с потенциал от заряд от произволен знак и точка с нулев потенциал;
- точки, които имат потенциал от същия знак, но се различават по абсолютна стойност.
Тоест потенциалната разлика не зависи от избора на координатна система.Може да се направи аналогия с водни басейни, разположени на различни височини спрямо нулевата марка (например морското равнище).
Водата на всеки басейн има определена потенциална енергия, но ако свържете всеки два басейна с тръба, тогава във всеки от тях ще има поток вода, чийто дебит се определя не само от размера на тръбата , но и от разликата в потенциалните енергии в гравитационното поле на Земята (тоест разликата във височината). Абсолютната стойност на потенциалните енергии в този случай няма значение.
По същия начин, ако свържете две точки с различен потенциал с проводник, той ще тече електричество, определя не само от съпротивлението на проводника, но и от потенциалната разлика (но не и от абсолютната им стойност). Продължавайки аналогията с водата, можем да кажем, че водата в горния басейн скоро ще изтече и ако няма сила, която да премести водата обратно нагоре (например помпа), тогава потокът ще спре много бързо.
Така е и в електрическа верига - за да се поддържа потенциална разлика на определено ниво, е необходима сила, която пренася заряди (по-точно носители на заряд) до точка с най-висок потенциал. Тази сила се нарича електродвижеща сила и е съкратена като EMF. ЕМП може да бъде от различно естество - електрохимично, електромагнитно и др.
На практика от значение е главно потенциалната разлика между началната и крайната точки на траекторията на носителите на заряд. В този случай тази разлика се нарича напрежение, а в SI също се измерва във волтове.Можем да говорим за напрежение от 1 волт, ако полето работи от 1 джаул при преместване на заряд от 1 кулон от една точка в друга, тоест 1V \u003d 1J / 1C, а J / C също може да бъде единица потенциална разлика.
Еквипотенциални повърхности
Ако потенциалът на няколко точки е еднакъв и тези точки образуват повърхност, тогава такава повърхност се нарича еквипотенциална. Такова свойство има, например, сфера, описана около електрически заряд, тъй като електрическото поле намалява с разстояние еднакво във всички посоки.
Всички точки от тази повърхност имат еднаква потенциална енергия, така че при преместване на заряд върху такава сфера няма да се изразходва никаква работа. Еквипотенциалните повърхности на системи от няколко заряда имат по-сложна форма, но имат едно интересно свойство - никога не се пресичат. Силовите линии на електрическото поле винаги са перпендикулярни на повърхности с еднакъв потенциал във всяка от техните точки. Ако еквипотенциалната повърхност се отреже от равнина, ще се получи линия с равни потенциали. Той има същите свойства като еквипотенциална повърхност. На практика, например, точки от повърхността на проводник, поставен в електростатично поле, имат равен потенциал.
След като се занимавате с концепцията за потенциал и потенциална разлика, можете да продължите към по-нататъшното изследване на електрическите явления. Но не по-рано, защото без разбиране на основните принципи и концепции няма да е възможно да се задълбочат знанията.
Подобни статии:
