Conceptul de potențial electric este unul dintre fundamentele importante ale teoriei electrostaticii și electrodinamicii. Înțelegerea esenței sale este o condiție necesară pentru continuarea studiului acestor ramuri ale fizicii.
Conţinut
Ce este potențialul electric
Să fie plasată o sarcină unitară q în câmpul creat de o sarcină fixă Q, care este afectată de Forța Coulomb F=k*Qq/r.
Aici și mai jos k=((1/4)*π* ε* ε), unde ε0 — constantă electrică (8,85*10-12 F/m), în timp ce ε este constantă dielectrică medie.
Contribuit încărca sub acțiunea acestei forțe, se poate mișca, iar forța va face o anumită cantitate de muncă. Aceasta înseamnă că un sistem de două sarcini are o energie potențială care depinde de mărimea ambelor sarcini și de distanța dintre ele, iar mărimea acestei energii potențiale nu depinde de mărimea sarcinii q. Aici este introdusă definiția potențialului electric - este egal cu raportul dintre energia potențială a câmpului și mărimea sarcinii:
φ=W/q,
unde W este energia potențială a câmpului creat de sistemul de sarcini, iar potențialul este energia caracteristică a câmpului. Pentru a deplasa o sarcină q într-un câmp electric pe o anumită distanță, este necesar să consumați o anumită cantitate de muncă pentru a depăși forțele Coulomb. Potențialul unui punct este egal cu munca care trebuie cheltuită pentru a muta o unitate de sarcină din acest punct la infinit. Procedând astfel, trebuie reținut că:
- acest lucru va fi egal cu scăderea energiei potențiale a sarcinii (A=W2-W1);
- munca nu depinde de traiectoria sarcinii.
În sistemul SI, unitatea de potențial este un volt (în literatura rusă este notat cu litera V, în literatura străină - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, adică putem vorbi despre potențialul unui punct de 1 volt, dacă este nevoie de 1 Joule pentru a muta o sarcină de 1 C la infinit. Numele a fost ales în onoarea fizicianului italian Alessandro Volta, care a adus o contribuție semnificativă la dezvoltarea ingineriei electrice.
Pentru a vizualiza ce este un potențial, acesta poate fi comparat cu temperatura a două corpuri sau cu temperatura măsurată în diferite puncte din spațiu. Temperatura este o măsură a încălzirii obiectelor, iar potențialul este o măsură a sarcinii electrice. Se spune că un corp este încălzit mai mult decât altul, se mai poate spune că un corp este încărcat mai mult, iar celălalt mai puțin. Aceste corpuri au un potențial diferit.
Valoarea potențialului depinde de alegerea sistemului de coordonate, deci este necesar un anumit nivel, care trebuie luat ca zero. Când se măsoară temperatura, de exemplu, temperatura gheții care se topește poate fi luată ca linie de bază.Pentru potențial, potențialul unui punct infinit îndepărtat este de obicei luat drept nivel zero, dar pentru rezolvarea unor probleme, de exemplu, potențialul de masă sau potențialul uneia dintre plăcile condensatorului poate fi considerat zero.
Proprietăți potențiale
Printre proprietățile importante ale potențialului, trebuie remarcate următoarele:
- dacă câmpul este creat de mai multe sarcini, atunci potențialul într-un anumit punct va fi egal cu suma algebrică (ținând cont de semnul sarcinii) a potențialelor create de fiecare dintre sarcini φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+…+φn;
- dacă distanțele de la sarcini sunt astfel încât sarcinile în sine pot fi considerate sarcini punctiforme, atunci potențialul total este calculat cu formula φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+…+qn/rn), unde r este distanța de la sarcina corespunzătoare apoi a punctului considerat.
Dacă câmpul este format dintr-un dipol electric (două sarcini conectate de semn opus), atunci potențialul în orice punct situat la distanța r de dipol va fi egal cu φ=k*p*cosά/r2, Unde:
- p este brațul electric al dipolului, egal cu q*l, unde l este distanța dintre sarcini;
- r este distanța până la dipol;
- ά este unghiul dintre brațul dipolului și vectorul rază r.
Dacă punctul se află pe axa dipolului, atunci cosά=1 și φ=k*p/r2.
Diferenta potentiala
Dacă două puncte au un anumit potențial și dacă nu sunt egale, atunci ei spun că există o diferență de potențial între cele două puncte. Diferența de potențial apare între punctele:
- al căror potențial este determinat de sarcini de diferite semne;
- un punct cu un potențial de la o sarcină de orice semn și un punct cu potențial zero;
- puncte care au potențialul aceluiași semn, dar diferă în valoare absolută.
Adică, diferența de potențial nu depinde de alegerea sistemului de coordonate.Se poate face o analogie cu bazine de apă situate la diferite înălțimi față de marcajul zero (de exemplu, nivelul mării).
Apa fiecărei piscine are o anumită energie potențială, dar dacă conectați oricare două piscine cu un tub, atunci în fiecare dintre ele va exista un flux de apă, al cărui debit este determinat nu numai de dimensiunea tubului. , dar și de diferența de energii potențiale din câmpul gravitațional al Pământului (adică diferența de înălțime). Valoarea absolută a energiilor potențiale nu contează în acest caz.
În același mod, dacă conectați două puncte cu potențial diferit cu un conductor, acesta va curge electricitate, determinată nu numai de rezistența conductorului, ci și de diferența de potențial (dar nu de valoarea lor absolută). Continuând analogia cu apa, putem spune că apa din piscina superioară se va epuiza în curând, iar dacă nu există nicio forță care să mute apa înapoi în sus (de exemplu, o pompă), atunci debitul se va opri foarte repede.
Deci este într-un circuit electric - pentru a menține o diferență de potențial la un anumit nivel este necesară o forță care transferă sarcini (mai precis, purtători de sarcină) într-un punct cu cel mai mare potențial. Această forță se numește forță electromotoare și este prescurtată ca EMF. EMF poate fi de natură diferită - electrochimică, electromagnetică etc.
În practică, contează în principal diferența de potențial dintre punctele inițiale și finale ale traiectoriei purtătorilor de sarcină. În acest caz, această diferență se numește tensiune, iar în SI se măsoară și în volți.Putem vorbi despre o tensiune de 1 Volt dacă câmpul lucrează cu 1 Joule atunci când se deplasează o sarcină de 1 Coulomb dintr-un punct în altul, adică 1V \u003d 1J / 1C, iar J / C poate fi, de asemenea, o unitate de diferenta potentiala.
Suprafețe echipotențiale
Dacă potențialul mai multor puncte este același, iar aceste puncte formează o suprafață, atunci o astfel de suprafață se numește echipotențial. O astfel de proprietate are, de exemplu, o sferă circumscrisă în jurul unei sarcini electrice, deoarece câmpul electric scade cu distanța în mod egal în toate direcțiile.
Toate punctele acestei suprafețe au aceeași energie potențială, așa că atunci când se deplasează o sarcină peste o astfel de sferă, nu se va cheltui niciun lucru. Suprafețele echipotențiale ale sistemelor cu mai multe sarcini au o formă mai complexă, dar au o proprietate interesantă - nu se intersectează niciodată. Liniile de forță ale câmpului electric sunt întotdeauna perpendiculare pe suprafețele cu același potențial în fiecare dintre punctele lor. Dacă suprafața echipotențială este tăiată de un plan, se va obține o linie de potențiale egale. Are aceleași proprietăți ca o suprafață echipotențială. În practică, de exemplu, punctele de pe suprafața unui conductor plasate într-un câmp electrostatic au un potențial egal.
După ce s-a ocupat de conceptul de potențial și diferență de potențial, puteți continua la studiul suplimentar al fenomenelor electrice. Dar nu mai devreme, pentru că fără a înțelege principiile și conceptele de bază, nu va fi posibilă aprofundarea cunoștințelor.
Articole similare:
