Elektriskā potenciāla jēdziens ir svarīgs elektrostatikas un elektrodinamikas teorijas pamats. Tās būtības izpratne ir priekšnoteikums šo fizikas nozaru tālākai izpētei.
Saturs
Kas ir elektriskais potenciāls
Lai vienības lādiņu q ievieto laukā, ko rada stacionārs lādiņš Q, kuru ietekmē Kulona spēks F=k*Qq/r.
Turpmāk k=((1/4)*π* ε* ε), kur ε0 — ir elektriskā konstante (8,85*10-12 F/m) un ε vidēja dielektriskā konstante.
Ievieš maksa var kustēties šī spēka iedarbībā, un spēks, to darot, paveiks zināmu darbu. Tas nozīmē, ka divu lādiņu sistēmai ir potenciālā enerģija, kas atkarīga no abu lādiņu lieluma un attāluma starp tiem, un šīs potenciālās enerģijas lielums nav atkarīgs no lādiņa q lieluma. Šeit tiek ieviesta elektriskā potenciāla definīcija - tas ir vienāds ar lauka potenciālās enerģijas attiecību pret lādiņa lielumu:
φ = W/q,
kur W ir lādiņu sistēmas radītā lauka potenciālā enerģija, un potenciāls ir lauka raksturīgā enerģija. Lai pārvietotu lādiņu q elektriskā laukā uz noteiktu attālumu, ir nepieciešams ieguldīt zināmu darbu, lai pārvarētu Kulona spēku. Punkta potenciāls ir vienāds ar darbu, kas nepieciešams, lai pārvietotu vienības lādiņu no šī punkta līdz bezgalībai. Jāatzīmē, ka:
- šis darbs būs vienāds ar lādiņa potenciālās enerģijas zudumu (A=W2-W1);
- darbs nav atkarīgs no lādiņa trajektorijas.
SI sistēmā potenciāla vienība ir viens volts (krievu literatūrā apzīmēts ar V, ārzemju literatūrā - V). 1 V=1J/1Cl, t.i., mēs varam runāt par punkta potenciālu 1 volts, ja 1 Cl lādiņa pārvietošanai līdz bezgalībai nepieciešams darbs 1 džouls. Nosaukums izvēlēts itāļu fiziķa Alessandro Voltas vārdā, kurš deva nozīmīgu ieguldījumu elektrotehnikas attīstībā.
Lai vizualizētu, kas ir potenciāls, to var salīdzināt ar divu ķermeņu temperatūru vai temperatūru, ko mēra dažādos telpas punktos. Temperatūra ir objektu sasilšanas mērs, bet potenciāls ir elektriskā lādiņa mērs. Mēdz teikt, ka viens ķermenis ir sakarsis vairāk nekā otrs; var arī teikt, ka viens ķermenis ir vairāk uzlādēts, bet otrs - mazāk. Šiem ķermeņiem ir atšķirīgs potenciāls.
Potenciāla vērtība ir atkarīga no koordinātu sistēmas izvēles, tāpēc kāds līmenis ir jāuzskata par nulli. Mērot temperatūru, par atskaites robežu var izmantot, piemēram, kūstoša ledus temperatūru. Bezgalīgi tāla punkta potenciāls parasti tiek uzskatīts par nulli, bet dažos lietojumos par nulli var uzskatīt, piemēram, zemes potenciālu vai kondensatora spaiļu potenciālu.
Potenciāla īpašības
Dažas svarīgas potenciāla īpašības ir šādas.
- ja lauku rada vairāki lādiņi, potenciāls konkrētā punktā būs vienāds ar katra lādiņa radīto potenciālu algebrisko (ņemot vērā lādiņa zīmi) summu φ=φ.1+φ2+φ3+φ4+φ5+...+φn;
- ja attālumi no lādiņiem ir tādi, ka pašus lādiņus var uzskatīt par punktveida, kopējo potenciālu aprēķina pēc formulas φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+...+qn/rn), kur r ir attālums no attiecīgā lādiņa līdz attiecīgajam punktam.
Ja lauku veido elektriskais dipols (divi saistīti lādiņi ar pretēju zīmi), potenciāls jebkurā punktā, kas atrodas attālumā r no dipola, ir φ=k*p*cosά/r.2kur:
- p ir dipola elektriskā roka, kas vienāda ar q*l, kur l ir attālums starp lādiņiem;
- r ir attālums līdz dipolam;
- ά ir leņķis starp dipola plecu un rādiusa vektoru r.
Ja punkts atrodas uz dipola ass, cosά=1 un φ=k*p/r2.
Potenciāla starpība
Ja diviem punktiem ir noteikts potenciāls un ja tie nav vienādi, tiek uzskatīts, ka starp abiem punktiem pastāv potenciālu starpība. Starp punktiem rodas potenciālu starpība
- kuru potenciālu nosaka dažādu zīmju lādiņi;
- punkts ar potenciālu no jebkuras lādiņa zīmes un punkts ar nulles potenciālu.
- punkti, kuru potenciāls ir ar vienādu zīmi, bet modulo atšķiras.
Tas nozīmē, ka potenciālu starpība nav atkarīga no koordinātu sistēmas izvēles. Var izdarīt analoģiju ar ūdens baseiniem, kas atrodas dažādos augstumos attiecībā pret atskaites punktu (piemēram, jūras līmeni).
Katra baseina ūdenim ir noteikta potenciālā enerģija, bet, ja ar caurulīti savieno divus baseinus, katrā baseinā būs ūdens plūsma, kuras plūsmu nosaka ne tikai caurules izmērs, bet arī potenciālo enerģiju atšķirība Zemes gravitācijas laukā (t. i., augstumu starpība). Potenciālo enerģiju absolūtā vērtība šajā gadījumā nav svarīga.
Līdzīgi, ja ar vadu savienosiet divus punktus ar atšķirīgu potenciālu, tas pārnesīs elektriskā strāvanosaka ne tikai vadītāja pretestība, bet arī potenciālu starpība (bet ne tās absolūtā vērtība). Turpinot analoģiju ar ūdeni, varam teikt, ka ūdens augšējā baseinā drīz beigsies, un, ja vien neatradīsies spēks, kas ūdeni virzītu atpakaļ uz augšu (piemēram, sūknis), ūdens plūsma ļoti ātri apstāsies.
Tas pats ir arī elektriskā ķēdē - lai uzturētu potenciālu starpību noteiktā līmenī, ir nepieciešams spēks, kas nogādā lādiņus (vai drīzāk lādiņu nesējus) uz punktu ar augstāko potenciālu. Šo spēku sauc par elektromotora spēku, un to saīsināti apzīmē ar EMF. EML var būt dažādas dabas - elektroķīmiski, elektromagnētiski u.c.
Praksē galvenā nozīme ir potenciālu starpībai starp lādiņnesēju trajektorijas sākuma un beigu punktu. Šajā gadījumā šo starpību sauc par spriegumu, un arī SI sistēmā to mēra voltos. Var teikt, ka spriegums ir 1 volts, ja lauks veic 1 džoula darbu, pārvietojot 1 kulona lādiņu no viena punkta uz otru, t. i., 1V=1J/1Kl, un J/Kl var būt arī potenciālu starpības mērvienība.
Ekvipotenciālās virsmas
Ja vairāku punktu potenciāls ir vienāds un šie punkti veido virsmu, šādu virsmu sauc par ekvipotenciālu. Šāda īpašība piemīt, piemēram, sfērai, kas aplozēta ap elektrisko lādiņu, jo elektriskais lauks samazinās vienādi visos virzienos līdz ar attālumu.
Visiem šīs virsmas punktiem ir vienāda potenciālā enerģija, tāpēc, pārvietojot lādiņu uz šādas sfēras, darbs netiks veikts. Vairāku lādiņu sistēmu ekvipotenciālajām virsmām ir sarežģītāka forma, taču tām piemīt viena interesanta īpašība - tās nekad nesakrustojas. Elektriskā lauka spēka līnijas vienmēr ir perpendikulāras virsmām ar vienādu potenciālu katrā no to punktiem. Ja ekvipotenciālo virsmu šķeļ plakne, iegūstam vienādu potenciālu līniju. Tai ir tādas pašas īpašības kā ekvipotenciālajai virsmai. Praksē, piemēram, elektrostatiskā laukā novietotiem punktiem uz vadītāja virsmas ir vienāds potenciāls.
Kad esat sapratuši potenciāla un potenciālu starpības jēdzienu, varat sākt apgūt vairāk par elektriskajām parādībām. Bet ne agrāk, jo bez izpratnes par pamatprincipiem un jēdzieniem nebūs iespējams padziļināt zināšanas.
Saistītie raksti:
