Conceptul de potențial electric este o bază importantă pentru teoria electrostaticii și a electrodinamicii. Înțelegerea esenței sale este o condiție prealabilă pentru studiul ulterior al acestor ramuri ale fizicii.
Conținut
Ce este un potențial electric
Fie ca o sarcină unitară q să fie plasată în câmpul creat de o sarcină staționară Q, care este influențată de Forța Coulomb F=k*Qq/r.
În continuare k=((1/4)*π* ε* ε), unde ε0 — este constanta electrică (8,85*10-12 F/m), iar ε constanta dielectrică a mediului.
Introdus de taxă se poate deplasa sub acțiunea acestei forțe, iar forța va efectua un anumit lucru în acest sens. Aceasta înseamnă că un sistem format din două sarcini are o energie potențială care depinde de mărimea ambelor sarcini și de distanța dintre ele, iar mărimea acestei energii potențiale este independentă de mărimea sarcinii q. Aici se introduce definiția potențialului electric - acesta 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 caracteristica energetică a câmpului. Pentru a deplasa o sarcină q într-un câmp electric pe o anumită distanță, trebuie să se depună o anumită muncă pentru a învinge forța Coulomb. Potențialul unui punct este egal cu lucrul necesar pentru a deplasa o sarcină unitară din acel punct până la infinit. Trebuie remarcat faptul că:
- acest lucru va fi egal cu pierderea de energie potențială a sarcinii (A=W2-W1);
- activitatea este independentă de traiectoria sarcinii.
În sistemul SI, unitatea de potențial este un volt (în literatura rusă este notată cu V, iar în literatura străină - V). 1 V=1J/1Kl, adică putem vorbi despre potențialul unui punct de 1 Volt, dacă este nevoie de un lucru de 1 Joule pentru a muta o sarcină de 1Kl la infinit. Numele a fost ales după fizicianul italian Alessandro Volta, care a avut o contribuție semnificativă la dezvoltarea ingineriei electrice.
Pentru a vizualiza ce este potențialul, 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 se încălzește mai mult decât altul; se poate spune, de asemenea, că un corp este mai încărcat, iar celălalt mai puțin. Aceste corpuri au potențiale diferite.
Valoarea potențialului depinde de alegerea sistemului de coordonate, astfel încât un anumit nivel trebuie considerat ca fiind zero. Atunci când se măsoară temperatura, temperatura de topire a gheții, de exemplu, poate fi luată ca o limită de referință. Pentru un potențial, potențialul unui punct infinit de îndepărtat este de obicei considerat zero, dar pentru anumite aplicații, potențialul pământului sau potențialul unuia dintre bornele unui condensator, de exemplu, poate fi considerat zero.
Proprietăți ale unui potențial
Unele proprietăți importante ale unui potențial sunt
- în cazul în care câmpul este generat de mai multe sarcini, potențialul într-un anumit punct va fi egal cu suma algebrică (ținând cont de semnul sarcinii) a potențialelor generate de fiecare dintre sarcini φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+...+φn;
- în cazul în care distanțele față de sarcini sunt astfel încât sarcinile însele pot fi considerate punctiforme, potențialul total se calculează cu formula φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+...+qn/rn), unde r este distanța de la sarcina corespunzătoare la punctul în cauză.
Dacă câmpul este format de un dipol electric (două sarcini conexe de semn opus), potențialul în orice punct situat la o distanță r față de dipol este φ=k*p*cosά/r.2unde:
- 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 raza vectorului r.
Dacă punctul se află pe axa dipolului, cosά=1 și φ=k*p/r2.
Diferența de potențial
Dacă două puncte au un anumit potențial și dacă acestea nu sunt egale, se spune că între cele două puncte există o diferență de potențial. O diferență de potențial apare între punctele
- al cărui potențial este determinat de sarcini de semne diferite;
- un punct cu un potențial de orice semn al unei sarcini și un punct cu potențial zero
- puncte care au un potențial de semn egal, dar diferit în modul.
Adică, diferența de potențial nu depinde de alegerea sistemului de coordonate. Se poate face o analogie cu bazinele de apă situate la diferite înălțimi față de nivelul solului (de exemplu, nivelul mării).
Apa din fiecare bazin are o anumită energie potențială, dar dacă conectați două bazine oarecare printr-un tub, va exista un flux de apă în fiecare bazin, al cărui flux este determinat nu numai de dimensiunea tubului, ci și de diferența de energii potențiale în câmpul gravitațional al Pământului (adică de diferența de altitudine). Valoarea absolută a energiilor potențiale nu contează în acest caz.
În mod similar, dacă se conectează două puncte cu potențial diferit cu un conductor, acesta va transporta un curent electricdeterminată nu numai de rezistența conductorului, ci și de diferența de potențial (dar nu de valoarea sa absolută). Continuând cu analogia cu apa, putem spune că apa din bazinul superior se va epuiza în curând și, dacă nu se găsește o forță care să mute apa înapoi în sus (cum ar fi o pompă), fluxul se va opri foarte repede.
La fel se întâmplă și într-un circuit electric - pentru a menține diferența de potențial la un anumit nivel, va fi necesară o forță care să transporte sarcinile (sau, mai degrabă, purtătorii de sarcină) către punctul cu cel mai mare potențial. Această forță se numește forță electromotoare și este abreviată ca EMF. CEM pot fi de diferite naturi - electrochimice, electromagnetice etc.
În practică, contează în principal diferența de potențial dintre punctul de plecare și punctul final al traiectoriei purtătorilor de sarcină. În acest caz, această diferență se numește tensiune, iar în SI se măsoară tot în volți. Se poate spune că o tensiune de 1 Volt este o tensiune dacă câmpul efectuează un lucru de 1 Joule în deplasarea unei sarcini de 1 Coulomb dintr-un punct în altul, adică 1V=1J/1Kl, iar J/Kl poate fi, de asemenea, unitatea de măsură a diferenței de potențial.
Suprafețe echipotențiale
În cazul în care potențialul mai multor puncte este același și aceste puncte formează o suprafață, o astfel de suprafață se numește echipotențială. O sferă circumscrisă în jurul unei sarcini electrice, de exemplu, are această proprietate, deoarece câmpul electric scade în mod egal în toate direcțiile odată cu distanța.
Toate punctele de pe această suprafață au aceeași energie potențială, astfel încât nu se va depune niciun efort atunci când se deplasează o sarcină pe o astfel de sferă. Suprafețele echipotențiale ale sistemelor de 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 din punctele lor. Dacă suprafața echipotențială este secționată de un plan, se obține o linie de potențiale egale. Ea are aceleași proprietăți ca o suprafață echipotențială. În practică, punctele de pe suprafața unui conductor plasat într-un câmp electrostatic, de exemplu, au un potențial egal.
Odată ce ați înțeles conceptul de potențial și de diferență de potențial, puteți începe să învățați mai multe despre fenomenele electrice. Dar nu înainte, pentru că fără o înțelegere a principiilor și conceptelor de bază, nu va fi posibilă aprofundarea cunoștințelor dumneavoastră.
Articole conexe:
