Wat is potentiaal en potentiaalverschil tussen twee punten?

Het concept van elektrische potentiaal is een van de belangrijke fundamenten van de theorie van elektrostatica en elektrodynamica. Het begrijpen van de essentie ervan is een noodzakelijke voorwaarde voor verdere studie van deze takken van de natuurkunde.

Wat is elektrisch potentieel?

Laat een eenheidslading q worden geplaatst in het veld gecreëerd door een vaste lading Q, die wordt beïnvloed door Coulombkracht F=k*Qq/r.

Hier en onder k=((1/4)*π* ε* ε), waarbij ε_{0 —} elektrische constante (8.85*10^-12 F/m), terwijl ε is gemiddelde diëlektrische constante.

Bijgedragen aanval onder de werking van deze kracht kan het bewegen, en de kracht zal een bepaalde hoeveelheid werk doen. Dit betekent dat een systeem van twee ladingen een potentiële energie heeft die afhangt van de grootte van beide ladingen en de afstand ertussen, en de grootte van deze potentiële energie hangt niet af van de grootte van de lading q. Hier wordt de definitie van het elektrische potentieel geïntroduceerd - het is gelijk aan de verhouding van de potentiële energie van het veld tot de grootte van de lading:

φ=W/q,

waarbij W de potentiële energie is van het veld dat wordt gecreëerd door het systeem van ladingen, en het potentieel de energiekarakteristiek van het veld is. Om een ​​lading q over enige afstand in een elektrisch veld te verplaatsen, is een bepaalde hoeveelheid werk nodig om de Coulomb-krachten te overwinnen. De potentiaal van een punt is gelijk aan de arbeid die moet worden geleverd om een ​​eenheidslading van dit punt naar oneindig te verplaatsen. Daarbij moet worden opgemerkt dat:

• deze arbeid zal gelijk zijn aan de afname van de potentiële energie van de lading (A=W₂-W₁);
• werk is niet afhankelijk van het traject van de lading.

In het SI-systeem is de eenheid van potentiaal één Volt (in de Russische literatuur wordt dit aangeduid met de letter V, in buitenlandse literatuur - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, dat wil zeggen, we kunnen praten over het potentieel van een punt van 1 volt, als 1 Joule nodig is om een ​​lading van 1 C naar oneindig te verplaatsen. De naam is gekozen ter ere van de Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta, die een belangrijke bijdrage heeft geleverd aan de ontwikkeling van de elektrotechniek.

Om te visualiseren wat een potentiaal is, kan het worden vergeleken met de temperatuur van twee lichamen of de temperatuur gemeten op verschillende punten in de ruimte. Temperatuur is een maat voor de verwarming van objecten en potentiaal is een maat voor elektrische lading. Er wordt gezegd dat het ene lichaam meer wordt verwarmd dan het andere, het kan ook worden gezegd dat het ene lichaam meer wordt opgeladen en het andere minder. Deze lichamen hebben verschillende mogelijkheden.

De waarde van de potentiaal hangt af van de keuze van het coördinatensysteem, dus een bepaald niveau is vereist, dat als nul moet worden beschouwd. Bij het meten van temperatuur kan bijvoorbeeld de temperatuur van smeltend ijs als basislijn worden genomen.Voor de potentiaal wordt de potentiaal van een oneindig ver verwijderd punt gewoonlijk als het nulniveau genomen, maar voor het oplossen van sommige problemen kan bijvoorbeeld de aardpotentiaal of de potentiaal van een van de condensatorplaten als nul worden beschouwd.

Potentiële eigenschappen

Onder de belangrijke eigenschappen van het potentieel moet het volgende worden opgemerkt:

• als het veld wordt gecreëerd door meerdere ladingen, dan is de potentiaal op een bepaald punt gelijk aan de algebraïsche (rekening houdend met het teken van de lading) som van de potentialen gecreëerd door elk van de ladingen φ=φ₁+φ₂+φ₃+φ₄+φ₅+…+φ_n;
• als de afstanden tot de ladingen zodanig zijn dat de ladingen zelf als puntladingen kunnen worden beschouwd, dan wordt de totale potentiaal berekend met de formule φ=k*(q₁/r₁+q₂/r₂+q₃/r₃+…+q_n/r_n), waarbij r de afstand is van de corresponderende lading en vervolgens van het beschouwde punt.

Als het veld wordt gevormd door een elektrische dipool (twee verbonden ladingen van het tegenovergestelde teken), dan is de potentiaal op elk punt op een afstand r van de dipool gelijk aan φ=k*p*cosά/r², waar:

• p is de elektrische arm van de dipool, gelijk aan q*l, waarbij l de afstand tussen de ladingen is;
• r is de afstand tot de dipool;
• ά is de hoek tussen de dipoolarm en de straalvector r.

Als het punt op de as van de dipool ligt, dan is cosά=1 en φ=k*p/r².

Potentieel verschil

Als twee punten een bepaalde potentiaal hebben, en als ze niet gelijk zijn, dan zeggen ze dat er een potentiaalverschil is tussen de twee punten. Het potentiaalverschil treedt op tussen de punten:

• waarvan het potentieel wordt bepaald door ladingen van verschillende tekens;
• een punt met een potentiaal van een lading van een willekeurig teken en een punt met nulpotentiaal;
• punten die de potentiaal van hetzelfde teken hebben, maar verschillen in absolute waarde.

Dat wil zeggen, het potentiaalverschil is niet afhankelijk van de keuze van het coördinatensysteem.Er kan een analogie worden getrokken met plassen water die zich op verschillende hoogten ten opzichte van het nulpunt (bijvoorbeeld zeeniveau) bevinden.

Het water van elk zwembad heeft een bepaalde potentiële energie, maar als je twee zwembaden met een buis verbindt, dan zal er in elk van hen een waterstroom zijn, waarvan de stroomsnelheid niet alleen wordt bepaald door de grootte van de buis , maar ook door het verschil in potentiële energieën in het zwaartekrachtveld van de aarde (dat wil zeggen, het hoogteverschil). De absolute waarde van potentiële energieën doet er in dit geval niet toe.

Op dezelfde manier, als je twee punten met verschillende potentiaal verbindt met een geleider, zal deze stromen elektriciteit, niet alleen bepaald door de weerstand van de geleider, maar ook door het potentiaalverschil (maar niet door hun absolute waarde). Als we de analogie met water voortzetten, kunnen we zeggen dat het water in het bovenste zwembad snel op zal raken, en als er geen kracht is die het water weer omhoog beweegt (bijvoorbeeld een pomp), dan stopt de stroom heel snel.

Het is dus in een elektrisch circuit - om een ​​potentiaalverschil op een bepaald niveau te houden, is een kracht nodig die ladingen (meer precies, ladingsdragers) overbrengt naar een punt met het hoogste potentieel. Deze kracht wordt elektromotorische kracht genoemd en wordt afgekort als EMF. EMF kan van een andere aard zijn - elektrochemisch, elektromagnetisch, enz.

In de praktijk gaat het vooral om het potentiaalverschil tussen begin- en eindpunt van het traject van ladingsdragers. In dit geval wordt dit verschil spanning genoemd en in SI wordt het ook gemeten in volt.We kunnen praten over een spanning van 1 Volt als het veld werkt van 1 Joule bij het verplaatsen van een lading van 1 Coulomb van het ene punt naar het andere, dat wil zeggen 1V \u003d 1J / 1C, en J / C kan ook een eenheid zijn van potentieel verschil.

Equipotentiaaloppervlakken

Als de potentiaal van meerdere punten hetzelfde is, en deze punten vormen een oppervlak, dan wordt zo'n oppervlak equipotentiaal genoemd. Zo'n eigenschap heeft bijvoorbeeld een bol omgeschreven rond een elektrische lading, omdat het elektrische veld in alle richtingen met de afstand gelijkelijk afneemt.

Alle punten van dit oppervlak hebben dezelfde potentiële energie, dus bij het verplaatsen van een lading over zo'n bol zal er geen arbeid worden verricht. De equipotentiaaloppervlakken van systemen met verschillende ladingen hebben een complexere vorm, maar ze hebben één interessante eigenschap: ze kruisen elkaar nooit. De krachtlijnen van het elektrische veld staan ​​altijd loodrecht op oppervlakken met dezelfde potentiaal op elk van hun punten. Als het equipotentiaaloppervlak wordt gesneden door een vlak, wordt een lijn van gelijke potentialen verkregen. Het heeft dezelfde eigenschappen als een equipotentiaaloppervlak. In de praktijk hebben bijvoorbeeld punten op het oppervlak van een in een elektrostatisch veld geplaatste geleider een gelijke potentiaal.

Nadat u het concept van potentiaal en potentiaalverschil hebt behandeld, kunt u doorgaan met de verdere studie van elektrische verschijnselen. Maar niet eerder, want zonder begrip van de basisprincipes en concepten is verdieping van kennis niet mogelijk.

Vergelijkbare artikelen: