Què és el potencial i la diferència de potencial entre dos punts

El concepte de potencial elèctric és un dels fonaments importants de la teoria de l'electroestàtica i l'electrodinàmica. Comprendre la seva essència és una condició necessària per a un estudi posterior d'aquestes branques de la física.

Què és el potencial elèctric

Sigui una unitat de càrrega q es col·loqui al camp creat per una càrrega fixa Q, que es veu afectada Força de Coulomb F=k*Qq/r.

Aquí i per sota k=((1/4)*π* ε* ε), on ε_{0 —} constant elèctrica (8,85*10^-12 F/m), mentre que ε és constant dielèctrica mitjana.

Contribuït carregar sota l'acció d'aquesta força, es pot moure i la força farà una certa quantitat de treball. Això vol dir que un sistema de dues càrregues té una energia potencial que depèn de la magnitud d'ambdues càrregues i de la distància entre elles, i la magnitud d'aquesta energia potencial no depèn de la magnitud de la càrrega q. Aquí s'introdueix la definició del potencial elèctric: és igual a la relació entre l'energia potencial del camp i la magnitud de la càrrega:

φ=W/q,

on W és l'energia potencial del camp creat pel sistema de càrregues, i el potencial és l'energia característica del camp. Per moure una càrrega q en un camp elèctric durant una certa distància, cal gastar una certa quantitat de treball per superar les forces de Coulomb. El potencial d'un punt és igual al treball que s'ha de gastar per moure una unitat de càrrega d'aquest punt a l'infinit. En fer-ho, cal tenir en compte que:

• aquest treball serà igual a la disminució de l'energia potencial de la càrrega (A=W₂-W₁);
• el treball no depèn de la trajectòria de la càrrega.

En el sistema SI, la unitat de potencial és un volt (a la literatura russa es denota amb la lletra V, a la literatura estrangera - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, és a dir, podem parlar del potencial d'un punt d'1 volt, si es necessita 1 Joule per moure una càrrega d'1 C fins a l'infinit. El nom va ser escollit en honor al físic italià Alessandro Volta, que va fer una contribució significativa al desenvolupament de l'enginyeria elèctrica.

Per visualitzar què és un potencial, es pot comparar amb la temperatura de dos cossos o la temperatura mesurada en diferents punts de l'espai. La temperatura és una mesura de l'escalfament dels objectes, i el potencial és una mesura de la càrrega elèctrica. Es diu que un cos s'escalfa més que un altre, també es pot dir que un cos està més carregat i l'altre menys. Aquests cossos tenen un potencial diferent.

El valor del potencial depèn de l'elecció del sistema de coordenades, per la qual cosa es requereix algun nivell, que s'ha de prendre com a zero. Quan es mesura la temperatura, per exemple, la temperatura del gel que es fon es pot prendre com a referència.Per al potencial, el potencial d'un punt infinitament distant es pren normalment com el nivell zero, però per resoldre alguns problemes, per exemple, el potencial de terra o el potencial d'una de les plaques del condensador es pot considerar zero.

Propietats potencials

Entre les propietats importants del potencial, cal destacar les següents:

• si el camp és creat per diverses càrregues, aleshores el potencial en un punt concret serà igual a la suma algebraica (tenint en compte el signe de la càrrega) dels potencials creats per cadascuna de les càrregues φ=φ₁+φ₂+φ₃+φ₄+φ₅+…+φ_n;
• si les distàncies de les càrregues són tals que les càrregues en si es poden considerar càrregues puntuals, aleshores el potencial total es calcula mitjançant la fórmula φ=k*(q₁/r₁+q₂/r₂+q₃/r₃+…+q_n/r_n), on r és la distància des de la càrrega corresponent al punt considerat.

Si el camp està format per un dipol elèctric (dues càrregues connectades de signe oposat), aleshores el potencial en qualsevol punt situat a una distància r del dipol serà igual a φ=k*p*cosά/r², on:

• p és el braç elèctric del dipol, igual a q*l, on l és la distància entre les càrregues;
• r és la distància al dipol;
• ά és l'angle entre el braç dipolar i el vector de radi r.

Si el punt es troba a l'eix del dipol, llavors cosά=1 i φ=k*p/r².

Diferència potencial

Si dos punts tenen un potencial determinat, i si no són iguals, diuen que hi ha una diferència de potencial entre els dos punts. La diferència de potencial es produeix entre els punts:

• el potencial està determinat per càrregues de diferents signes;
• un punt amb potencial a partir d'una càrrega de qualsevol signe i un punt amb potencial zero;
• punts que tenen el potencial del mateix signe, però difereixen en valor absolut.

És a dir, la diferència de potencial no depèn de l'elecció del sistema de coordenades.Es pot fer una analogia amb les piscines d'aigua situades a diferents altures respecte a la marca zero (per exemple, el nivell del mar).

L'aigua de cada piscina té una certa energia potencial, però si connecteu dues piscines qualsevol amb un tub, a cadascuna d'elles hi haurà un flux d'aigua, el cabal del qual no només ve determinat per la mida del tub. , però també per la diferència d'energies potencials en el camp gravitatori de la Terra (és a dir, la diferència d'altura). El valor absolut de les energies potencials no importa en aquest cas.

De la mateixa manera, si connecteu dos punts amb potencial diferent amb un conductor, aquest fluirà electricitat, determinat no només per la resistència del conductor, sinó també per la diferència de potencial (però no pel seu valor absolut). Continuant amb l'analogia amb l'aigua, podem dir que l'aigua de la piscina superior aviat s'esgotarà i, si no hi ha cap força que torni a moure l'aigua (per exemple, una bomba), el flux s'aturarà molt ràpidament.

Així és en un circuit elèctric: per mantenir una diferència de potencial a un cert nivell, es requereix una força que transfereixi càrregues (més precisament, portadors de càrrega) a un punt amb el potencial més alt. Aquesta força s'anomena força electromotriu i s'abreuja com a EMF. Els CEM poden ser de naturalesa diferent: electroquímics, electromagnètics, etc.

A la pràctica, el que importa és principalment la diferència de potencial entre els punts inicial i final de la trajectòria dels portadors de càrrega. En aquest cas, aquesta diferència s'anomena tensió, i en SI també es mesura en volts.Podem parlar d'una tensió d'1 Volt si el camp fa un treball d'1 Joule quan es mou una càrrega d'1 Coulomb d'un punt a un altre, és a dir, 1V \u003d 1J / 1C, i J / C també pot ser una unitat de diferència potencial.

Superfícies equipotencials

Si el potencial de diversos punts és el mateix, i aquests punts formen una superfície, llavors aquesta superfície s'anomena equipotencial. Aquesta propietat té, per exemple, una esfera circumscrita al voltant d'una càrrega elèctrica, perquè el camp elèctric disminueix amb la distància per igual en totes les direccions.

Tots els punts d'aquesta superfície tenen la mateixa energia potencial, de manera que quan es mou una càrrega sobre aquesta esfera, no es gastarà cap treball. Les superfícies equipotencials dels sistemes de diverses càrregues tenen una forma més complexa, però tenen una propietat interessant: mai es creuen. Les línies de força del camp elèctric són sempre perpendiculars a superfícies amb el mateix potencial en cadascun dels seus punts. Si la superfície equipotencial és tallada per un pla, s'obtindrà una línia de potencials iguals. Té les mateixes propietats que una superfície equipotencial. A la pràctica, per exemple, els punts de la superfície d'un conductor situats en un camp electrostàtic tenen un potencial igual.

Després d'haver tractat el concepte de potencial i diferència de potencial, podeu continuar amb l'estudi dels fenòmens elèctrics. Però no abans, perquè sense comprendre els principis i conceptes bàsics, no serà possible aprofundir en el coneixement.

Articles semblants: