Konsep potensial listrik merupakan salah satu dasar penting dari teori elektrostatika dan elektrodinamika. Memahami esensinya merupakan prasyarat untuk mempelajari lebih lanjut bagian-bagian fisika ini.
Berapakah potensial listrik
Biarkan satu unit muatan q ditempatkan pada medan yang dibuat oleh muatan stasioner Q, di mana Gaya Coulomb F=k*Qq/r.
Selanjutnya k=((1/4)*π** ), di mana0 — adalah konstanta listrik (8,85 * 10-12 F/m), dan konstanta dielektrik medium.
Diperkenalkan oleh mengenakan biaya di bawah aksi gaya ini dapat bergerak, dan gaya akan melakukan beberapa pekerjaan. Ini berarti bahwa sistem dua muatan memiliki energi potensial yang bergantung pada besar kedua muatan dan jarak antara keduanya, dan nilai energi potensial ini tidak bergantung pada besar muatan q. Di sinilah definisi potensial listrik diperkenalkan: itu sama dengan rasio energi potensial medan dengan besarnya muatan:
=W/q,
di mana W adalah energi potensial medan yang diciptakan oleh sistem muatan, dan potensial adalah karakteristik energi medan. Untuk memindahkan muatan q dalam medan listrik untuk jarak tertentu, diperlukan usaha untuk mengatasi gaya Coulomb.Potensial suatu titik sama dengan usaha yang diperlukan untuk memindahkan satu unit muatan dari titik tersebut hingga tak terhingga. Perlu dicatat bahwa:
- usaha ini akan sama dengan kehilangan energi potensial muatan (A=W2-W1);
- usaha tidak bergantung pada lintasan muatan.
Dalam sistem SI, satuan potensial adalah satu Volt (dilambangkan dengan V dalam literatur bahasa Rusia, V dalam literatur asing). 1 V=1J/1 Kl, yaitu, kita dapat berbicara tentang potensi titik 1 Volt, jika dibutuhkan kerja 1 Joule untuk memindahkan muatan 1 Kl hingga tak terhingga. Nama itu dipilih untuk menghormati fisikawan Italia Alessandro Volta, yang memberikan kontribusi signifikan terhadap pengembangan teknik listrik.
Untuk memvisualisasikan apa itu potensial, dapat dibandingkan dengan suhu dua benda atau suhu yang diukur pada titik yang berbeda di ruang angkasa. Suhu adalah ukuran pemanasan benda, dan potensial adalah ukuran muatan listrik. Satu benda dikatakan lebih panas dari yang lain, dan dapat juga dikatakan bahwa satu benda lebih bermuatan dan yang lain lebih kecil. Badan-badan ini memiliki potensi yang berbeda.
Nilai potensial tergantung pada pilihan sistem koordinat, sehingga beberapa level diperlukan untuk diambil sebagai nol. Saat mengukur suhu, seseorang mungkin mengambil, misalnya, suhu es yang mencair sebagai batas referensi. Untuk sebuah potensial, potensi titik yang jauh tak terhingga biasanya dianggap nol, tetapi untuk beberapa masalah, potensi bumi atau potensi salah satu penutup kapasitor, misalnya, dapat diambil sebagai nol.
Sifat Potensi
Di antara sifat-sifat penting dari sebuah potensi adalah sebagai berikut:
- jika medan dibuat oleh beberapa muatan, potensial pada titik tertentu akan sama dengan jumlah aljabar (dengan memperhatikan tanda muatan) dari potensial yang diciptakan oleh masing-masing muatan =φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+...+n;
- jika jarak dari muatan sedemikian rupa sehingga muatan itu sendiri dapat dianggap seperti titik, maka potensial total dihitung dengan rumus =k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+...+qn/rn), di mana r adalah jarak dari muatan yang sesuai ke titik yang bersangkutan.
Jika medan dibentuk oleh dipol listrik (dua muatan terhubung yang berlawanan tanda), potensial pada setiap titik yang terletak pada jarak r dari dipol akan sama dengan =k*p*cosά/r2, di mana:
- p adalah lengan listrik dipol, sama dengan q*l, di mana l adalah jarak antara muatan;
- r adalah jarak ke dipol;
- adalah sudut antara lengan dipol dan vektor jari-jari r.
Jika titik terletak pada sumbu dipol, cosά=1 dan =k*p/r2.
Perbedaan potensial
Jika dua titik mempunyai potensial tertentu, dan jika tidak sama besar, dikatakan terdapat beda potensial antara kedua titik tersebut. Beda potensial terjadi antara titik:
- yang potensinya ditentukan oleh muatan tanda yang berbeda;
- titik dengan potensi dari muatan tanda apa pun dan titik dengan potensi nol;
- titik yang memiliki potensial sama dengan tanda, tetapi berbeda dalam modulo.
Artinya, beda potensial tidak bergantung pada pilihan sistem koordinat. Kita dapat menggambar analogi dengan genangan air yang terletak pada ketinggian yang berbeda relatif terhadap tanda nol (misalnya permukaan laut).
Air masing-masing kolam memiliki energi potensial tertentu, tetapi jika Anda menghubungkan dua kolam apa pun dengan tabung, maka di masing-masing kolam akan ada aliran air, yang alirannya ditentukan tidak hanya oleh ukuran tabung, tetapi juga oleh perbedaan energi potensial dalam medan gravitasi bumi (yaitu, perbedaan ketinggian). Nilai absolut dari energi potensial tidak menjadi masalah dalam kasus ini.
Demikian pula, jika Anda menghubungkan konduktor ke dua titik dengan potensi yang berbeda, itu akan membawa arus listrikditentukan tidak hanya oleh resistansi konduktor, tetapi juga oleh perbedaan potensial (tetapi tidak oleh nilai absolutnya). Melanjutkan analogi air, kita dapat mengatakan bahwa air di cekungan atas akan segera habis, dan jika tidak ada kekuatan untuk menggerakkan air kembali (seperti pompa), aliran akan berhenti dengan sangat cepat.
Hal yang sama dalam rangkaian listrik: untuk menjaga perbedaan potensial pada tingkat tertentu, diperlukan gaya yang mengangkut muatan (atau lebih tepatnya, pembawa muatan) ke titik dengan potensi tertinggi. Gaya ini disebut gaya gerak listrik dan disingkat EMF. EMF dapat memiliki sifat yang berbeda - elektrokimia, elektromagnetik, dll.
Dalam praktiknya, terutama perbedaan potensial antara titik awal dan titik akhir lintasan pembawa muatan yang penting. Dalam hal ini, perbedaan ini disebut tegangan, dan dalam SI juga diukur dalam volt. Tegangan 1 Volt dapat dikatakan jika medan melakukan kerja 1 Joule dalam memindahkan muatan sebesar 1 Coulomb dari satu titik ke titik lain, yaitu 1V=1J/1KL, dan J/KL juga dapat menjadi satuan dari perbedaan potensial.
Permukaan ekuipotensial
Jika potensial beberapa titik sama, dan titik-titik ini membentuk permukaan, permukaan seperti itu disebut ekuipotensial. Misalnya, sebuah bola yang dikelilingi muatan listrik memiliki sifat ini, karena medan listrik berkurang secara merata ke segala arah dengan jarak.
Semua titik pada permukaan ini memiliki energi potensial yang sama, sehingga tidak ada usaha yang dikeluarkan ketika memindahkan muatan pada bola tersebut. Permukaan ekuipotensial sistem beberapa muatan memiliki bentuk yang lebih kompleks, tetapi mereka memiliki satu sifat yang menarik: mereka tidak pernah berpotongan. Garis-garis gaya medan listrik selalu tegak lurus terhadap permukaan-permukaan dengan potensial yang sama di setiap titiknya. Jika permukaan ekuipotensial dibedah oleh sebuah bidang, Anda mendapatkan garis dengan potensial yang sama.Ini memiliki sifat yang sama dengan permukaan ekuipotensial. Dalam praktiknya, titik-titik pada permukaan konduktor yang ditempatkan dalam medan elektrostatik, misalnya, memiliki potensial yang sama.
Setelah Anda memahami konsep potensial dan beda potensial, Anda dapat mulai mempelajari lebih lanjut fenomena listrik. Tapi tidak sebelumnya, karena tanpa memahami prinsip dan konsep dasar untuk memperdalam pengetahuan tidak akan mungkin.
Artikel terkait:
