Pojam električnog potencijala jedan je od važnih temelja teorije elektrostatike i elektrodinamike. Razumijevanje njegove biti nužan je uvjet za daljnje proučavanje ovih grana fizike.
Sadržaj
Što je električni potencijal
Neka se jedinični naboj q postavi u polje koje stvara fiksni naboj Q, na koji utječe Kulonova sila F=k*Qq/r.
Ovdje i ispod k=((1/4)*π* ε* ε), gdje je ε0 — električna konstanta (8,85*10-12 F/m), dok je ε srednja dielektrična konstanta.
Doprinio naplatiti pod djelovanjem ove sile može se kretati, a sila će obaviti određeni rad. To znači da sustav od dva naboja ima potencijalnu energiju koja ovisi o veličini oba naboja i udaljenosti između njih, a veličina te potencijalne energije ne ovisi o veličini naboja q. Ovdje se uvodi definicija električnog potencijala - jednak je omjeru potencijalne energije polja i veličine naboja:
φ=W/q,
gdje je W potencijalna energija polja stvorenog sustavom naboja, a potencijal je energetska karakteristika polja. Za pomicanje naboja q u električnom polju na određenu udaljenost potrebno je utrošiti određenu količinu rada da bi se svladale Coulombove sile. Potencijal točke jednak je radu koji se mora utrošiti da se jedinični naboj pomakne iz ove točke u beskonačnost. Pri tome treba napomenuti da:
- ovaj će rad biti jednak smanjenju potencijalne energije naboja (A=W2-W1);
- rad ne ovisi o putanji naboja.
U sustavu SI, jedinica potencijala je jedan Volt (u ruskoj literaturi označava se slovom V, u stranoj literaturi - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, odnosno možemo govoriti o potencijalu točke od 1 volta, ako je potreban 1 Joule da se naboj od 1 C pomakne u beskonačnost. Ime je izabrano u čast talijanskog fizičara Alessandra Volte, koji je dao značajan doprinos razvoju elektrotehnike.
Da bismo vizualizirali što je potencijal, možemo ga usporediti s temperaturom dvaju tijela ili temperaturom izmjerenom u različitim točkama u prostoru. Temperatura je mjera zagrijavanja objekata, a potencijal je mjera električnog naboja. Kaže se da se jedno tijelo zagrijava više od drugog, može se reći i da je jedno tijelo nabijeno više, a drugo manje. Ova tijela imaju različite potencijale.
Vrijednost potencijala ovisi o izboru koordinatnog sustava, pa je potrebna neka razina koja se mora uzeti kao nula. Prilikom mjerenja temperature, na primjer, temperatura topljenja leda može se uzeti kao polazna vrijednost.Za potencijal se obično kao nulta razina uzima potencijal beskonačno udaljene točke, ali se za rješavanje nekih problema, na primjer, potencijal zemlje ili potencijal jedne od ploča kondenzatora može smatrati nulom.
Potencijalna svojstva
Među važnim svojstvima potencijala treba istaknuti sljedeće:
- ako polje stvara nekoliko naboja, tada će potencijal u određenoj točki biti jednak algebarskom (uzimajući u obzir predznak naboja) zbroju potencijala stvorenih svakim od naboja φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+…+φn;
- ako su udaljenosti od naboja takve da se sami naboji mogu smatrati točkastim nabojima, tada se ukupni potencijal izračunava po formuli φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+…+qn/rn), gdje je r udaljenost od odgovarajućeg naboja tada razmatrane točke.
Ako polje formira električni dipol (dva povezana naboja suprotnog predznaka), tada će potencijal u bilo kojoj točki koja se nalazi na udaljenosti r od dipola biti jednak φ=k*p*cosά/r2, gdje:
- p je električni krak dipola, jednak q*l, gdje je l udaljenost između naboja;
- r je udaljenost do dipola;
- ά je kut između kraka dipola i radijus vektora r.
Ako točka leži na osi dipola, tada je cosά=1 i φ=k*p/r2.
Potencijalna razlika
Ako dvije točke imaju određeni potencijal, a ako nisu jednake, onda kažu da između dvije točke postoji razlika potencijala. Razlika potencijala javlja se između točaka:
- čiji je potencijal određen nabojima različitih predznaka;
- točka s potencijalom od naboja bilo kojeg predznaka i točka s nultim potencijalom;
- točke koje imaju potencijal istog predznaka, ali se razlikuju po apsolutnoj vrijednosti.
Odnosno, razlika potencijala ne ovisi o izboru koordinatnog sustava.Može se povući analogija s bazenima vode koji se nalaze na različitim visinama u odnosu na nultu oznaku (na primjer, razina mora).
Voda svakog bazena ima određenu potencijalnu energiju, ali ako bilo koja dva bazena spojite cijevi, tada će u svakom od njih postojati protok vode čiji je protok određen ne samo veličinom cijevi. , ali i razlikom potencijalnih energija u gravitacijskom polju Zemlje (odnosno visinskom razlikom). Apsolutna vrijednost potencijalnih energija u ovom slučaju nije bitna.
Na isti način, spojite li vodičem dvije točke s različitim potencijalom, on će teći struja, određen ne samo otporom vodiča, već i razlikom potencijala (ali ne i njihovom apsolutnom vrijednošću). Nastavljajući analogiju s vodom, možemo reći da će voda u gornjem bazenu uskoro nestati, a ako nema sile koja će vodu pomaknuti natrag prema gore (na primjer, pumpa), tada će protok vrlo brzo prestati.
Tako je i u električnom krugu – da bi se održala razlika potencijala na određenoj razini potrebna je sila koja prenosi naboje (točnije, nositelje naboja) do točke s najvećim potencijalom. Ta se sila naziva elektromotorna sila i skraćeno je EMF. EMF može biti različite prirode - elektrokemijski, elektromagnetski itd.
U praksi je uglavnom bitna razlika potencijala između početne i krajnje točke putanje nositelja naboja. U ovom slučaju ta se razlika naziva napon, a u SI se također mjeri u voltima.Možemo govoriti o naponu od 1 Volt ako polje radi od 1 Joule kada pomiče naboj od 1 Coulomb iz jedne točke u drugu, odnosno 1V = 1J / 1C, a J / C također može biti jedinica potencijalna razlika.
Ekvipotencijalne površine
Ako je potencijal nekoliko točaka isti, a te točke tvore plohu, tada se takva površina naziva ekvipotencijalna. Takvo svojstvo ima, na primjer, kugla opisana oko električnog naboja, jer se električno polje smanjuje s udaljenosti jednako u svim smjerovima.
Sve točke ove površine imaju istu potencijalnu energiju, pa pri pomicanju naboja preko takve kugle neće se trošiti nikakav rad. Ekvipotencijalne plohe sustava od nekoliko naboja imaju složeniji oblik, ali imaju jedno zanimljivo svojstvo - nikada se ne sijeku. Linije sile električnog polja uvijek su okomite na površine s istim potencijalom u svakoj od svojih točaka. Ako ekvipotencijalnu površinu presiječe ravnina, dobit će se linija jednakih potencijala. Ima ista svojstva kao i ekvipotencijalna površina. U praksi, na primjer, točke na površini vodiča smještene u elektrostatičkom polju imaju jednak potencijal.
Nakon što ste se pozabavili konceptom potencijala i potencijalne razlike, možete nastaviti s daljnjim proučavanjem električnih pojava. Ali ne ranije, jer bez razumijevanja osnovnih principa i koncepata neće biti moguće produbiti znanje.
Slični članci:
