Der Begriff des elektrischen Potentials ist eine der wichtigen Grundlagen der Theorie der Elektrostatik und Elektrodynamik. Das Verständnis ihres Wesens ist eine notwendige Voraussetzung für das weitere Studium dieser Zweige der Physik.
Inhalt
Was ist elektrisches potential
Es sei eine Einheitsladung q in das Feld gelegt, das durch eine feste Ladung Q erzeugt wird, die von beeinflusst wird Coulomb-Kraft F=k*Qq/r.
Hier und unten k=((1/4)*π* ε* ε), wobei ε0 — elektrische Konstante (8,85*10-12 F/m), während ε ist mittlere Dielektrizitätskonstante.
beigetragen aufladen Unter der Wirkung dieser Kraft kann es sich bewegen, und die Kraft wird eine bestimmte Menge an Arbeit leisten. Das bedeutet, dass ein System aus zwei Ladungen eine potentielle Energie hat, die von der Größe beider Ladungen und dem Abstand zwischen ihnen abhängt, und die Größe dieser potentiellen Energie nicht von der Größe der Ladung q abhängt. Hier wird die Definition des elektrischen Potentials eingeführt - es ist gleich dem Verhältnis der potentiellen Energie des Feldes zur Größe der Ladung:
φ=W/q,
wobei W die potentielle Energie des durch das Ladungssystem erzeugten Feldes und das Potential die für das Feld charakteristische Energie ist. Um eine Ladung q in einem elektrischen Feld über eine gewisse Distanz zu bewegen, muss eine gewisse Arbeit aufgewendet werden, um die Coulomb-Kräfte zu überwinden. Das Potential eines Punktes ist gleich der Arbeit, die aufgewendet werden muss, um eine Einheitsladung von diesem Punkt ins Unendliche zu bewegen. Dabei ist zu beachten:
- diese Arbeit ist gleich der Abnahme der potentiellen Energie der Ladung (A=W2-W1);
- Die Arbeit hängt nicht von der Flugbahn der Ladung ab.
Im SI-System ist die Einheit des Potentials ein Volt (in der russischen Literatur wird es mit dem Buchstaben V bezeichnet, in der ausländischen Literatur - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, das heißt, wir können über das Potential eines Punktes von 1 Volt sprechen, wenn 1 Joule benötigt wird, um eine Ladung von 1 C ins Unendliche zu bewegen. Der Name wurde zu Ehren des italienischen Physikers Alessandro Volta gewählt, der maßgeblich zur Entwicklung der Elektrotechnik beigetragen hat.
Um sich vorzustellen, was ein Potential ist, kann man es mit der Temperatur zweier Körper oder der an verschiedenen Punkten im Raum gemessenen Temperatur vergleichen. Die Temperatur ist ein Maß für die Erwärmung von Objekten, und das Potential ist ein Maß für die elektrische Ladung. Man sagt, dass ein Körper mehr erhitzt wird als ein anderer, man kann auch sagen, dass ein Körper mehr und der andere weniger belastet wird. Diese Körper haben unterschiedliche Potenziale.
Der Wert des Potentials hängt von der Wahl des Koordinatensystems ab, daher ist eine gewisse Höhe erforderlich, die als Null angenommen werden muss. Bei der Temperaturmessung kann beispielsweise die Temperatur von schmelzendem Eis als Basislinie genommen werden.Für das Potential wird normalerweise das Potential eines unendlich weit entfernten Punktes als Nullpegel angenommen, aber zur Lösung einiger Probleme kann beispielsweise das Massepotential oder das Potential einer der Kondensatorplatten als Null betrachtet werden.
Mögliche Eigenschaften
Unter den wichtigen Eigenschaften des Potentials ist Folgendes zu beachten:
- Wenn das Feld von mehreren Ladungen erzeugt wird, ist das Potential an einem bestimmten Punkt gleich der algebraischen (unter Berücksichtigung des Vorzeichens der Ladung) Summe der Potentiale, die von jeder der Ladungen φ = φ erzeugt werden1+φ2+φ3+φ4+φ5+…+φn;
- wenn die Abstände zu den Ladungen so groß sind, dass die Ladungen selbst als Punktladungen betrachtet werden können, dann berechnet sich das Gesamtpotential nach der Formel φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+…+qn/rn), wobei r der Abstand von der entsprechenden Ladung und dann vom betrachteten Punkt ist.
Wenn das Feld durch einen elektrischen Dipol (zwei verbundene Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen) gebildet wird, dann ist das Potential an jedem Punkt, der sich im Abstand r vom Dipol befindet, gleich φ=k*p*cosά/r2, wo:
- p ist der elektrische Arm des Dipols, gleich q*l, wobei l der Abstand zwischen den Ladungen ist;
- r ist der Abstand zum Dipol;
- ά ist der Winkel zwischen dem Dipolarm und dem Radiusvektor r.
Liegt der Punkt auf der Achse des Dipols, so ist cosά=1 und φ=k*p/r2.
Potenzieller unterschied
Wenn zwei Punkte ein bestimmtes Potential haben und wenn sie nicht gleich sind, dann sagt man, dass zwischen den beiden Punkten ein Potentialunterschied besteht. Die Potentialdifferenz tritt auf zwischen den Punkten:
- dessen Potential durch Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens bestimmt wird;
- ein Punkt mit einem Potential von einer Ladung mit beliebigem Vorzeichen und ein Punkt mit Nullpotential;
- Punkte, die das Potenzial des gleichen Vorzeichens haben, sich aber im absoluten Wert unterscheiden.
Das heißt, die Potentialdifferenz hängt nicht von der Wahl des Koordinatensystems ab.Eine Analogie kann zu Wasserbecken gezogen werden, die sich auf unterschiedlichen Höhen relativ zur Nullmarke (z. B. Meeresspiegel) befinden.
Das Wasser jedes Beckens hat eine bestimmte potenzielle Energie, aber wenn Sie zwei beliebige Becken mit einem Rohr verbinden, fließt in jedem von ihnen Wasser, dessen Durchflussrate nicht nur von der Größe des Rohrs bestimmt wird , sondern auch durch den Unterschied der potentiellen Energien im Gravitationsfeld der Erde (dh den Höhenunterschied). Der Absolutwert potentieller Energien spielt in diesem Fall keine Rolle.
Wenn Sie zwei Punkte mit unterschiedlichem Potential mit einem Leiter verbinden, fließt es auf die gleiche Weise elektrischer Strom, bestimmt nicht nur durch den Widerstand des Leiters, sondern auch durch die Potentialdifferenz (aber nicht durch ihren absoluten Wert). Um die Analogie mit Wasser fortzusetzen, können wir sagen, dass das Wasser im oberen Becken bald auslaufen wird, und wenn es keine Kraft gibt, die das Wasser wieder nach oben bewegt (z. B. eine Pumpe), wird der Fluss sehr schnell aufhören.
So ist es in einem Stromkreis - um eine Potentialdifferenz auf einem bestimmten Niveau zu halten, ist eine Kraft erforderlich, die Ladungen (genauer gesagt Ladungsträger) an einen Punkt mit dem höchsten Potential überträgt. Diese Kraft wird als elektromotorische Kraft bezeichnet und mit EMF abgekürzt. EMF kann unterschiedlicher Natur sein - elektrochemisch, elektromagnetisch usw.
In der Praxis kommt es hauptsächlich auf die Potentialdifferenz zwischen Anfangs- und Endpunkt der Flugbahn von Ladungsträgern an. Diese Differenz wird in diesem Fall als Spannung bezeichnet und in SI auch in Volt gemessen.Wir können von einer Spannung von 1 Volt sprechen, wenn das Feld eine Arbeit von 1 Joule leistet, wenn eine Ladung von 1 Coulomb von einem Punkt zum anderen bewegt wird, dh 1 V \u003d 1 J / 1 C, und J / C kann auch eine Einheit von sein Potenzieller unterschied.
Äquipotentialflächen
Wenn das Potential mehrerer Punkte gleich ist und diese Punkte eine Fläche bilden, dann nennt man eine solche Fläche Äquipotential. Eine solche Eigenschaft hat zB eine um eine elektrische Ladung umschriebene Kugel, weil das elektrische Feld mit der Entfernung in alle Richtungen gleich stark abnimmt.
Alle Punkte dieser Oberfläche haben die gleiche potentielle Energie, so dass beim Bewegen einer Ladung über eine solche Kugel keine Arbeit aufgewendet wird. Die Äquipotentialflächen von Systemen mit mehreren Ladungen haben eine komplexere Form, aber sie haben eine interessante Eigenschaft – sie schneiden sich nie. Die Kraftlinien des elektrischen Feldes stehen in jedem ihrer Punkte immer senkrecht auf Flächen mit gleichem Potential. Wenn die Äquipotentialfläche von einer Ebene geschnitten wird, erhält man eine Linie gleicher Potentiale. Sie hat die gleichen Eigenschaften wie eine Äquipotentialfläche. In der Praxis haben beispielsweise Punkte auf der Oberfläche eines Leiters, der in ein elektrostatisches Feld gebracht wird, ein gleiches Potential.
Nachdem Sie sich mit dem Konzept des Potentials und der Potentialdifferenz befasst haben, können Sie mit der weiteren Untersuchung elektrischer Phänomene fortfahren. Aber nicht früher, denn ohne das Verständnis der grundlegenden Prinzipien und Konzepte ist eine Vertiefung des Wissens nicht möglich.
Ähnliche Artikel:
