Η έννοια του ηλεκτρικού δυναμικού είναι ένα από τα σημαντικά θεμέλια της θεωρίας της ηλεκτροστατικής και της ηλεκτροδυναμικής. Η κατανόηση της ουσίας του είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την περαιτέρω μελέτη αυτών των κλάδων της φυσικής.
Περιεχόμενο
Τι είναι το ηλεκτρικό δυναμικό
Έστω ένα φορτίο μονάδας q να τοποθετηθεί στο πεδίο που δημιουργείται από ένα σταθερό φορτίο Q, το οποίο επηρεάζεται από Δύναμη Κουλόμπ F=k*Qq/r.
Εδώ και κάτω k=((1/4)*π* ε* ε), όπου ε0 — ηλεκτρική σταθερά (8,85*10-12 F/m), ενώ το ε είναι μέση διηλεκτρική σταθερά.
Συνεισέφερε χρέωση κάτω από τη δράση αυτής της δύναμης, μπορεί να κινηθεί και η δύναμη θα κάνει ένα ορισμένο ποσό εργασίας. Αυτό σημαίνει ότι ένα σύστημα δύο φορτίων έχει μια δυναμική ενέργεια που εξαρτάται από το μέγεθος και των δύο φορτίων και την απόσταση μεταξύ τους, και το μέγεθος αυτής της δυναμικής ενέργειας δεν εξαρτάται από το μέγεθος του φορτίου q. Εδώ εισάγεται ο ορισμός του ηλεκτρικού δυναμικού - είναι ίσος με τον λόγο της δυναμικής ενέργειας του πεδίου προς το μέγεθος του φορτίου:
φ=W/q,
όπου W είναι η δυναμική ενέργεια του πεδίου που δημιουργείται από το σύστημα φορτίων και το δυναμικό είναι το ενεργειακό χαρακτηριστικό του πεδίου. Για να μετακινήσετε ένα φορτίο q σε ένα ηλεκτρικό πεδίο για κάποια απόσταση, είναι απαραίτητο να ξοδέψετε ένα ορισμένο ποσό εργασίας για να υπερνικήσετε τις δυνάμεις Coulomb. Το δυναμικό ενός σημείου είναι ίσο με το έργο που πρέπει να δαπανηθεί για να μετακινηθεί ένα φορτίο μονάδας από αυτό το σημείο στο άπειρο. Κάνοντας αυτό, πρέπει να σημειωθεί ότι:
- αυτό το έργο θα είναι ίσο με τη μείωση της δυναμικής ενέργειας του φορτίου (A=W2- W1);
- η εργασία δεν εξαρτάται από την τροχιά της φόρτισης.
Στο σύστημα SI, η μονάδα δυναμικού είναι ένα Volt (στη ρωσική λογοτεχνία συμβολίζεται με το γράμμα V, στην ξένη βιβλιογραφία - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, δηλαδή, μπορούμε να μιλήσουμε για το δυναμικό ενός σημείου 1 βολτ, εάν χρειάζεται 1 Joule για να μετακινήσετε ένα φορτίο 1 C στο άπειρο. Το όνομα επιλέχθηκε προς τιμήν του Ιταλού φυσικού Alessandro Volta, ο οποίος συνέβαλε σημαντικά στην ανάπτυξη της ηλεκτρικής μηχανικής.
Για να οπτικοποιηθεί τι είναι ένα δυναμικό, μπορεί να συγκριθεί με τη θερμοκρασία δύο σωμάτων ή τη θερμοκρασία που μετράται σε διαφορετικά σημεία του χώρου. Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της θέρμανσης των αντικειμένων και το δυναμικό είναι ένα μέτρο του ηλεκτρικού φορτίου. Λέγεται ότι ένα σώμα θερμαίνεται περισσότερο από ένα άλλο, μπορεί επίσης να ειπωθεί ότι το ένα σώμα φορτίζεται περισσότερο και το άλλο λιγότερο. Αυτά τα σώματα έχουν διαφορετικές δυνατότητες.
Η τιμή του δυναμικού εξαρτάται από την επιλογή του συστήματος συντεταγμένων, επομένως απαιτείται κάποιο επίπεδο, το οποίο πρέπει να ληφθεί ως μηδέν. Κατά τη μέτρηση της θερμοκρασίας, για παράδειγμα, η θερμοκρασία του λιώσιμου πάγου μπορεί να ληφθεί ως βάση.Για το δυναμικό, το δυναμικό ενός απείρως απομακρυσμένου σημείου λαμβάνεται συνήθως ως μηδενική στάθμη, αλλά για την επίλυση ορισμένων προβλημάτων, για παράδειγμα, το δυναμικό γείωσης ή το δυναμικό μιας από τις πλάκες πυκνωτή μπορεί να θεωρηθεί ως μηδέν.
Πιθανές Ιδιότητες
Μεταξύ των σημαντικών ιδιοτήτων του δυναμικού, πρέπει να σημειωθούν τα ακόλουθα:
- αν το πεδίο δημιουργείται από πολλά φορτία, τότε το δυναμικό σε ένα συγκεκριμένο σημείο θα είναι ίσο με το αλγεβρικό (λαμβάνοντας υπόψη το πρόσημο του φορτίου) άθροισμα των δυναμικών που δημιουργούνται από καθένα από τα φορτία φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+…+φn;
- εάν οι αποστάσεις από τα φορτία είναι τέτοιες που τα ίδια τα φορτία μπορούν να θεωρηθούν ως σημειακά φορτία, τότε το συνολικό δυναμικό υπολογίζεται με τον τύπο φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+…+qn/rn), όπου r είναι η απόσταση από το αντίστοιχο φορτίο τότε του εξεταζόμενου σημείου.
Εάν το πεδίο σχηματίζεται από ένα ηλεκτρικό δίπολο (δύο συνδεδεμένα φορτία του αντίθετου πρόσημου), τότε το δυναμικό σε οποιοδήποτε σημείο που βρίσκεται σε απόσταση r από το δίπολο θα είναι ίσο με φ=k*p*cosά/r2, όπου:
- p είναι ο ηλεκτρικός βραχίονας του διπόλου, ίσος με q*l, όπου l είναι η απόσταση μεταξύ των φορτίων.
- r είναι η απόσταση από το δίπολο.
- ά είναι η γωνία μεταξύ του διπολικού βραχίονα και του διανύσματος ακτίνας r.
Αν το σημείο βρίσκεται στον άξονα του διπόλου, τότε cosά=1 και φ=k*p/r2.
Πιθανή διαφορά
Αν δύο σημεία έχουν ορισμένο δυναμικό, και αν δεν είναι ίσα, τότε λένε ότι υπάρχει διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο σημείων. Η διαφορά δυναμικού εμφανίζεται μεταξύ των σημείων:
- του οποίου το δυναμικό καθορίζεται από χρεώσεις διαφορετικών ζωδίων.
- ένα σημείο με δυναμικό από ένα φορτίο οποιουδήποτε σημείου και ένα σημείο με μηδενικό δυναμικό.
- σημεία που έχουν τη δυνατότητα του ίδιου ζωδίου, αλλά διαφέρουν σε απόλυτη τιμή.
Δηλαδή, η διαφορά δυναμικού δεν εξαρτάται από την επιλογή του συστήματος συντεταγμένων.Μια αναλογία μπορεί να γίνει με λίμνες νερού που βρίσκονται σε διαφορετικά ύψη σε σχέση με το μηδέν (για παράδειγμα, το επίπεδο της θάλασσας).
Το νερό κάθε πισίνας έχει μια ορισμένη δυναμική ενέργεια, αλλά αν συνδέσετε οποιεσδήποτε δύο πισίνες με ένα σωλήνα, τότε σε καθεμία από αυτές θα υπάρχει μια ροή νερού, η ταχύτητα ροής της οποίας καθορίζεται όχι μόνο από το μέγεθος του σωλήνα , αλλά και από τη διαφορά των δυνητικών ενεργειών στο βαρυτικό πεδίο της Γης (δηλαδή τη διαφορά ύψους). Η απόλυτη τιμή των δυνητικών ενεργειών δεν έχει σημασία σε αυτή την περίπτωση.
Με τον ίδιο τρόπο, αν συνδέσετε δύο σημεία με διαφορετικό δυναμικό με έναν αγωγό, θα ρέει ηλεκτρική ενέργεια, που καθορίζεται όχι μόνο από την αντίσταση του αγωγού, αλλά και από τη διαφορά δυναμικού (αλλά όχι από την απόλυτη τιμή τους). Συνεχίζοντας την αναλογία με το νερό, μπορούμε να πούμε ότι το νερό στην επάνω πισίνα σύντομα θα εξαντληθεί και εάν δεν υπάρχει δύναμη που θα μετακινήσει το νερό πίσω (για παράδειγμα, μια αντλία), τότε η ροή θα σταματήσει πολύ γρήγορα.
Έτσι είναι σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα - για να διατηρηθεί μια διαφορά δυναμικού σε ένα ορισμένο επίπεδο, απαιτείται μια δύναμη που μεταφέρει φορτία (ακριβέστερα, φορείς φορτίου) σε ένα σημείο με το υψηλότερο δυναμικό. Αυτή η δύναμη ονομάζεται ηλεκτροκινητική δύναμη και συντομεύεται ως EMF. Το EMF μπορεί να είναι διαφορετικής φύσης - ηλεκτροχημικό, ηλεκτρομαγνητικό κ.λπ.
Στην πράξη, σημασία έχει κυρίως η διαφορά δυναμικού μεταξύ των αρχικών και τελικών σημείων της τροχιάς των φορέων φορτίου. Σε αυτή την περίπτωση, αυτή η διαφορά ονομάζεται τάση και στο SI μετριέται επίσης σε βολτ.Μπορούμε να μιλήσουμε για τάση 1 Volt εάν το πεδίο λειτουργεί 1 Joule όταν μετακινεί φορτίο 1 Coulomb από ένα σημείο σε άλλο, δηλαδή 1V = 1J / 1C και το J / C μπορεί επίσης να είναι μονάδα πιθανή διαφορά.
Ισοδυναμικές επιφάνειες
Εάν το δυναμικό πολλών σημείων είναι το ίδιο, και αυτά τα σημεία σχηματίζουν μια επιφάνεια, τότε μια τέτοια επιφάνεια ονομάζεται ισοδυναμική. Μια τέτοια ιδιότητα έχει, για παράδειγμα, μια σφαίρα περιγεγραμμένη γύρω από ένα ηλεκτρικό φορτίο, επειδή το ηλεκτρικό πεδίο μειώνεται με την απόσταση εξίσου προς όλες τις κατευθύνσεις.
Όλα τα σημεία αυτής της επιφάνειας έχουν την ίδια δυναμική ενέργεια, επομένως όταν μετακινείτε ένα φορτίο σε μια τέτοια σφαίρα, δεν θα δαπανηθεί έργο. Οι ισοδυναμικές επιφάνειες συστημάτων πολλών φορτίων έχουν πιο περίπλοκο σχήμα, αλλά έχουν μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα - δεν τέμνονται ποτέ. Οι ευθείες δύναμης του ηλεκτρικού πεδίου είναι πάντα κάθετες σε επιφάνειες με το ίδιο δυναμικό σε κάθε σημείο τους. Εάν η ισοδυναμική επιφάνεια κοπεί από ένα επίπεδο, θα ληφθεί μια γραμμή ίσων δυναμικών. Έχει τις ίδιες ιδιότητες με μια επιφάνεια ισοδυναμικού. Στην πράξη, για παράδειγμα, σημεία στην επιφάνεια ενός αγωγού που τοποθετούνται σε ηλεκτροστατικό πεδίο έχουν ίσο δυναμικό.
Έχοντας ασχοληθεί με την έννοια της διαφοράς δυναμικού και δυναμικού, μπορείτε να προχωρήσετε στην περαιτέρω μελέτη των ηλεκτρικών φαινομένων. Όχι όμως νωρίτερα, γιατί χωρίς την κατανόηση των βασικών αρχών και εννοιών, δεν θα είναι δυνατή η εμβάθυνση της γνώσης.
Παρόμοια άρθρα:
