Vad är potential och potentialskillnad mellan två punkter

Begreppet elektrisk potential är en av de viktiga grunderna för teorin om elektrostatik och elektrodynamik. Att förstå dess väsen är en nödvändig förutsättning för vidare studier av dessa grenar av fysiken.

Vad är elektrisk potential

Låt en enhetsladdning q placeras i fältet som skapas av en fast laddning Q, som påverkas av Coulomb kraft F=k*Qq/r.

Här och nedanför k=((1/4)*π* ε* ε), där ε_{0 —} elektrisk konstant (8,85*10^-12 F/m), medan ε är medium dielektrisk konstant.

Bidrog avgift under inverkan av denna kraft kan den röra sig, och kraften kommer att utföra ett visst mått av arbete. Detta betyder att ett system med två laddningar har en potentiell energi som beror på storleken på båda laddningarna och avståndet mellan dem, och storleken på denna potentiella energi beror inte på storleken på laddningen q. Här introduceras definitionen av den elektriska potentialen - den är lika med förhållandet mellan fältets potentiella energi och laddningens storlek:

φ=W/q,

där W är den potentiella energin för fältet som skapas av systemet av laddningar, och potentialen är fältets energikaraktär. För att flytta en laddning q i ett elektriskt fält en bit, är det nödvändigt att lägga ner en viss mängd arbete för att övervinna Coulomb-krafterna. Potentialen för en punkt är lika med det arbete som måste läggas ned för att flytta en enhetsladdning från denna punkt till oändligheten. När du gör det bör det noteras att:

• detta arbete kommer att vara lika med minskningen av laddningens potentiella energi (A=W₂-W₁);
• arbetet beror inte på laddningens bana.

I SI-systemet är potentialenheten en volt (i rysk litteratur betecknas den med bokstaven V, i utländsk litteratur - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, det vill säga vi kan prata om potentialen för en punkt på 1 volt, om det tar 1 Joule för att flytta en laddning på 1 C till oändligheten. Namnet valdes för att hedra den italienska fysikern Alessandro Volta, som gjorde ett betydande bidrag till utvecklingen av elektroteknik.

För att visualisera vad en potential är kan den jämföras med temperaturen hos två kroppar eller temperaturen uppmätt vid olika punkter i rymden. Temperatur är ett mått på uppvärmningen av föremål och potential är ett mått på elektrisk laddning. Det sägs att en kropp värms upp mer än en annan, man kan också säga att den ena kroppen laddas mer och den andra mindre. Dessa kroppar har olika potential.

Potentialens värde beror på valet av koordinatsystemet, så det krävs någon nivå, som måste tas som noll. Vid temperaturmätning kan till exempel temperaturen på smältande is tas som baslinje.För potentialen tas vanligtvis potentialen för en oändligt avlägsen punkt som nollnivån, men för att lösa vissa problem, till exempel kan jordpotentialen eller potentialen för en av kondensatorplattorna betraktas som noll.

Potentiella egenskaper

Bland potentialens viktiga egenskaper bör följande noteras:

• om fältet skapas av flera laddningar, kommer potentialen vid en viss punkt att vara lika med den algebraiska (med hänsyn till laddningens tecken) summan av potentialerna som skapas av var och en av laddningarna φ=φ₁+φ₂+φ₃+φ₄+φ₅+…+φ_n;
• om avstånden från laddningarna är sådana att själva laddningarna kan betraktas som punktladdningar, så beräknas den totala potentialen med formeln φ=k*(q₁/r₁+q₂/r₂+q₃/r₃+…+q_n/r_n), där r är avståndet från motsvarande laddning då för den betraktade punkten.

Om fältet bildas av en elektrisk dipol (två anslutna laddningar av motsatt tecken), kommer potentialen vid vilken punkt som helst på ett avstånd r från dipolen att vara lika med φ=k*p*cosά/r², var:

• p är dipolens elektriska arm, lika med q*l, där l är avståndet mellan laddningarna;
• r är avståndet till dipolen;
• ά är vinkeln mellan dipolarmen och radievektorn r.

Om punkten ligger på dipolens axel, då cosά=1 och φ=k*p/r².

Möjlig skillnad

Om två punkter har en viss potential, och om de inte är lika, så säger de att det finns en potentialskillnad mellan de två punkterna. Potentialskillnaden uppstår mellan punkterna:

• vars potential bestäms av laddningar av olika tecken;
• en punkt med potential från en laddning av något tecken och en punkt med noll potential;
• punkter som har potentialen för samma tecken, men skiljer sig i absolut värde.

Det vill säga att potentialskillnaden inte beror på valet av koordinatsystem.En analogi kan dras med vattenpooler som ligger på olika höjder i förhållande till nollmärket (till exempel havsnivån).

Vattnet i varje pool har en viss potentiell energi, men om du ansluter två pooler med ett rör, kommer det att finnas ett vattenflöde i var och en av dem, vars flödeshastighet inte bara bestäms av storleken på röret , men också av skillnaden i potentiella energier i jordens gravitationsfält (det vill säga höjdskillnaden). Det absoluta värdet av potentiella energier spelar ingen roll i detta fall.

På samma sätt, om man kopplar ihop två punkter med olika potential med en ledare, kommer den att flyta elektricitetbestäms inte bara av ledarens resistans, utan också av potentialskillnaden (men inte av deras absoluta värde). Om vi ​​fortsätter analogin med vatten kan vi säga att vattnet i den övre poolen snart kommer att ta slut, och om det inte finns någon kraft som kommer att flytta vattnet tillbaka upp (till exempel en pump), kommer flödet att sluta mycket snabbt.

Så är det i en elektrisk krets - för att upprätthålla en potentialskillnad på en viss nivå krävs en kraft som överför laddningar (närmare bestämt laddningsbärare) till en punkt med högst potential. Denna kraft kallas elektromotorisk kraft och förkortas EMF. EMF kan vara av en annan karaktär - elektrokemisk, elektromagnetisk, etc.

I praktiken är det främst potentialskillnaden mellan de initiala och sista punkterna i laddningsbärarnas bana som spelar roll. I det här fallet kallas denna skillnad spänning, och i SI mäts den också i volt.Vi kan prata om en spänning på 1 Volt om fältet fungerar på 1 Joule när en laddning på 1 Coulomb flyttas från en punkt till en annan, det vill säga 1V \u003d 1J / 1C, och J / C kan också vara en enhet av möjlig skillnad.

Ekvipotentiella ytor

Om potentialen för flera punkter är densamma, och dessa punkter bildar en yta, kallas en sådan yta för ekvipotential. En sådan egenskap har till exempel en sfär omgiven kring en elektrisk laddning, eftersom det elektriska fältet minskar med avståndet lika i alla riktningar.

Alla punkter på denna yta har samma potentiella energi, så när du flyttar en laddning över en sådan sfär kommer inget arbete att förbrukas. Ekvipotentiella ytor av system med flera laddningar har en mer komplex form, men de har en intressant egenskap - de skär aldrig varandra. Det elektriska fältets kraftlinjer är alltid vinkelräta mot ytor med samma potential vid var och en av sina punkter. Om ekvipotentialytan skärs av ett plan erhålls en linje med lika potentialer. Den har samma egenskaper som en ekvipotentialyta. I praktiken har till exempel punkter på ytan av en ledare placerad i ett elektrostatiskt fält en lika stor potential.

Efter att ha tagit itu med begreppet potential och potentialskillnad kan du gå vidare till den fortsatta studien av elektriska fenomen. Men inte tidigare, för utan att förstå de grundläggande principerna och begreppen kommer det inte att vara möjligt att fördjupa kunskapen.

Liknande artiklar: