Η έννοια του ηλεκτρικού δυναμικού αποτελεί σημαντική βάση για τη θεωρία της ηλεκτροστατικής και της ηλεκτροδυναμικής. Η κατανόηση της ουσίας της αποτελεί προϋπόθεση για την περαιτέρω μελέτη αυτών των τομέων της φυσικής.
Περιεχόμενο
Τι είναι το ηλεκτρικό δυναμικό
Έστω ότι ένα μοναδιαίο φορτίο q τοποθετείται στο πεδίο που δημιουργείται από ένα ακίνητο φορτίο Q, το οποίο επηρεάζεται από Δύναμη Κουλόμπ F=k*Qq/r.
Εφεξής k=((1/4)*π* ε* ε), όπου ε0 — είναι η ηλεκτρική σταθερά (8,85*10-12 F/m), και ε διηλεκτρική σταθερά του μέσου.
Εισάγεται από χρέωση μπορεί να κινηθεί υπό την επίδραση αυτής της δύναμης, και η δύναμη θα κάνει κάποιο έργο κατά τον τρόπο αυτό. Αυτό σημαίνει ότι ένα σύστημα δύο φορτίων έχει μια δυναμική ενέργεια που εξαρτάται από το μέγεθος των δύο φορτίων και την απόσταση μεταξύ τους, και το μέγεθος αυτής της δυναμικής ενέργειας είναι ανεξάρτητο από το μέγεθος του φορτίου q. Εδώ εισάγεται ο ορισμός του ηλεκτρικού δυναμικού - είναι ίσο με το 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 των φορτίων και το δυναμικό είναι η χαρακτηριστική ενέργεια του πεδίου. Για να μετακινηθεί ένα φορτίο q σε ένα ηλεκτρικό πεδίο σε κάποια απόσταση, πρέπει να γίνει κάποιο έργο για να ξεπεραστεί η δύναμη Κουλόμπ. Το δυναμικό ενός σημείου είναι ίσο με το έργο που απαιτείται για τη μετακίνηση ενός μοναδιαίου φορτίου από το σημείο αυτό στο άπειρο. Πρέπει να σημειωθεί ότι:
- το έργο αυτό θα είναι ίσο με την απώλεια δυναμικής ενέργειας του φορτίου (A=W2-W1);
- το έργο είναι ανεξάρτητο από την τροχιά του φορτίου.
Στο σύστημα SI, η μονάδα του δυναμικού είναι ένα Volt (στη ρωσική βιβλιογραφία συμβολίζεται με V, στην ξένη βιβλιογραφία - V). 1 V=1J/1Kl, δηλαδή, μπορούμε να μιλάμε για δυναμικό ενός σημείου 1 Volt, αν χρειάζεται έργο 1 Joule για να μετακινηθεί ένα φορτίο 1Kl στο άπειρο. Το όνομα επιλέχθηκε από τον Ιταλό φυσικό Αλεσάντρο Βόλτα, ο οποίος συνέβαλε σημαντικά στην ανάπτυξη της ηλεκτρολογίας.
Για να γίνει αντιληπτό τι είναι το δυναμικό, μπορεί να συγκριθεί με τη θερμοκρασία δύο σωμάτων ή με 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 το ένα σώμα θερμαίνεται περισσότερο από το άλλο- μπορεί επίσης να ειπωθεί ότι το ένα σώμα είναι περισσότερο φορτισμένο και το άλλο λιγότερο φορτισμένο. Τα σώματα αυτά έχουν διαφορετικές δυνατότητες.
Η τιμή του δυναμικού εξαρτάται από την επιλογή του συστήματος συντεταγμένων, οπότε κάποιο επίπεδο πρέπει να ληφθεί ως μηδενικό. Κατά τη μέτρηση της θερμοκρασίας, η θερμοκρασία του πάγου που λιώνει, για παράδειγμα, μπορεί να ληφθεί ως όριο αναφοράς. Για ένα δυναμικό, το δυναμικό ενός απείρως απομακρυσμένου σημείου λαμβάνεται συνήθως ως μηδέν, αλλά για ορισμένες εφαρμογές, το δυναμικό της γης ή το δυναμικό ενός από τα τυλίγματα ενός πυκνωτή, για παράδειγμα, μπορεί να ληφθεί ως μηδέν.
Ιδιότητες ενός δυναμικού
Ορισμένες σημαντικές ιδιότητες ενός δυναμικού είναι
- αν το πεδίο δημιουργείται από πολλά φορτία, το δυναμικό σε ένα συγκεκριμένο σημείο θα είναι ίσο με το αλγεβρικό (λαμβάνοντας υπόψη το πρόσημο του φορτίου) άθροισμα των δυναμικών που δημιουργούνται από κάθε ένα από τα φορτία φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+...+φn;
- αν οι αποστάσεις από τα φορτία είναι τέτοιες ώστε τα ίδια τα φορτία να μπορούν να θεωρηθούν σημειακά, το συνολικό δυναμικό υπολογίζεται από τον τύπο φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+...+qn/rn), όπου r είναι η απόσταση του αντίστοιχου φορτίου από το εν λόγω σημείο.
Εάν το πεδίο σχηματίζεται από ένα ηλεκτρικό δίπολο (δύο συνδεδεμένα φορτία με αντίθετο πρόσημο), το δυναμικό σε οποιοδήποτε σημείο που βρίσκεται σε απόσταση r από το δίπολο είναι φ=k*p*cosά/r2όπου:
- 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.
Εάν το σημείο βρίσκεται στον άξονα του διπόλου, cosά=1 και φ=k*p/r2.
Διαφορά δυναμικού
Εάν δύο σημεία έχουν ένα συγκεκριμένο δυναμικό και δεν είναι ίσα, λέγεται ότι υπάρχει διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο σημείων. Μια διαφορά δυναμικού εμφανίζεται μεταξύ των σημείων
- του οποίου το δυναμικό καθορίζεται από φορτία διαφορετικών πρόσημων,
- ένα σημείο με δυναμικό από οποιοδήποτε πρόσημο φορτίου και ένα σημείο με μηδενικό δυναμικό
- σημεία που έχουν δυναμικό με ίσο πρόσημο αλλά διαφορετικό ως προς το modulo.
Δηλαδή, η διαφορά δυναμικού δεν εξαρτάται από την επιλογή του συστήματος συντεταγμένων. Μια αναλογία μπορεί να γίνει με πισίνες νερού που βρίσκονται σε διαφορετικά ύψη σε σχέση με το επίπεδο του εδάφους (π.χ. το επίπεδο της θάλασσας).
Το νερό κάθε λίμνης έχει μια ορισμένη δυνητική ενέργεια, αλλά αν συνδέσετε δύο οποιεσδήποτε λίμνες με έναν σωλήνα, θα υπάρξει ροή νερού σε κάθε λίμνη, η ροή της οποίας καθορίζεται όχι μόνο από το μέγεθος του σωλήνα, αλλά και από τη διαφορά των δυνητικών ενεργειών στο πεδίο βαρύτητας της Γης (δηλαδή από τη διαφορά του υψομέτρου). Η απόλυτη τιμή των δυναμικών ενεργειών δεν έχει σημασία σε αυτή την περίπτωση.
Ομοίως, αν συνδέσετε δύο σημεία με διαφορετικό δυναμικό με έναν αγωγό, αυτός θα μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμακαθορίζεται όχι μόνο από την αντίσταση του αγωγού αλλά και από τη διαφορά δυναμικού (αλλά όχι από την απόλυτη τιμή της). Συνεχίζοντας την αναλογία με το νερό, μπορούμε να πούμε ότι το νερό στην άνω λεκάνη θα εξαντληθεί σύντομα και, αν δεν βρεθεί μια δύναμη για να μετακινήσει το νερό προς τα πάνω (όπως μια αντλία), η ροή θα σταματήσει πολύ γρήγορα.
Το ίδιο συμβαίνει και σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα - για να διατηρηθεί η διαφορά δυναμικού σε ένα ορισμένο επίπεδο, απαιτείται μια δύναμη που μεταφέρει φορτία (ή μάλλον φορείς φορτίου) στο σημείο με το υψηλότερο δυναμικό. Η δύναμη αυτή ονομάζεται ηλεκτροκινητήρια δύναμη και συντομογραφείται ως EMF. Τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία μπορεί να είναι διαφόρων φύσεων - ηλεκτροχημικά, ηλεκτρομαγνητικά κ.λπ.
Στην πράξη, σημασία έχει κυρίως η διαφορά δυναμικού μεταξύ του σημείου εκκίνησης και του σημείου τερματισμού της τροχιάς των φορέων φορτίου. Στην περίπτωση αυτή, η διαφορά αυτή ονομάζεται τάση και στο SI μετριέται επίσης σε βολτ. Μπορούμε να πούμε ότι η τάση είναι 1 Volt αν το πεδίο κάνει το έργο του 1 Joule για να μετακινήσει ένα φορτίο 1 Coulomb από ένα σημείο σε ένα άλλο, δηλαδή 1V=1J/1Kl, και το J/Kl μπορεί επίσης να είναι η μονάδα μέτρησης της διαφοράς δυναμικού.
Ισοδυναμικές επιφάνειες
Αν το δυναμικό πολλών σημείων είναι το ίδιο και τα σημεία αυτά σχηματίζουν μια επιφάνεια, η επιφάνεια αυτή ονομάζεται ισοδυναμική. Μια σφαίρα που περιγράφεται γύρω από ένα ηλεκτρικό φορτίο, για παράδειγμα, έχει αυτή την ιδιότητα, καθώς το ηλεκτρικό πεδίο μειώνεται εξίσου προς όλες τις κατευθύνσεις με την απόσταση.
Όλα τα σημεία αυτής της επιφάνειας έχουν την ίδια δυναμική ενέργεια, οπότε δεν θα δαπανηθεί έργο κατά τη μετακίνηση ενός φορτίου σε μια τέτοια σφαίρα. Οι ισοδυναμικές επιφάνειες των συστημάτων πολλών φορτίων έχουν πιο πολύπλοκο σχήμα, αλλά έχουν μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα - δεν τέμνονται ποτέ. Οι δυναμικές γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου είναι πάντα κάθετες στις επιφάνειες με το ίδιο δυναμικό σε κάθε σημείο τους. Αν η επιφάνεια ισοδυναμίας τεμαχιστεί από ένα επίπεδο, λαμβάνουμε μια γραμμή ίσων δυναμικών. Έχει τις ίδιες ιδιότητες με μια ισοδυναμική επιφάνεια. Στην πράξη, τα σημεία στην επιφάνεια ενός αγωγού που βρίσκεται σε ηλεκτροστατικό πεδίο, για παράδειγμα, έχουν ίσο δυναμικό.
Μόλις κατανοήσετε την έννοια του δυναμικού και της διαφοράς δυναμικού, μπορείτε να αρχίσετε να μαθαίνετε περισσότερα για τα ηλεκτρικά φαινόμενα. Αλλά όχι νωρίτερα, διότι χωρίς την κατανόηση των βασικών αρχών και εννοιών, δεν θα είναι δυνατόν να εμβαθύνετε τις γνώσεις σας.
Σχετικά άρθρα:
