Что такое потенциал в электротехнике

Потенциал электрического поля

В зависимости от количества зарядов и их величины изменяется энергия электрического поля, создаваемого этими зарядами. Очевидно, что величина энергии электрического поля, образованного одним ‘зарядом, будет отличаться от величины энергии поля, образованного двумя или тремя такими же зарядами.

В практике очень часто приходится сравнивать различные по величине поля. Это сравнение производится по действиям полей на единичный положительный заряд (так называемый пробный заряд). Поясним это.

Определение: Единичным называется заряд, величина которого равна одной единице заряда.

Пусть, например, поле образовано некоторым положительным зарядом. Чтобы внести в какую-то точку этого поля единичный положительный заряд, необходимо затратить определенную работу на преодоление силы отталкивания между основным и единичным зарядами. Величина потенциальной энергии поля при этом возрастает.

Попробуем теперь внести единичный заряд в другое поле, образованное в два раза большим электрическим зарядом. Очевидно, что при этом придется затратить большую работу, чем в первом случае. Следовательно, и потенциальная энергия поля возрастет больше, чем в первом случае.

В электротехнике для характеристики поля вводится специальное понятие — электрический потенциал.

Определение; Электрический потенциал некоторой точки поля численно равен работе, затрачиваемой при внесении единичного положительного заряда из-за пределов поля в данную точку.

Измеряется потенциал электрического поля в вольтах. Такое название единицы для измерения потенциала дано по имени итальянского физика Алессандро Вольта (1745—1827), открывшего закон взаимодействия электрических токов и предложившего первую гипотезу для объяснения магнитных свойств вещества.

Характеристика поля с помощью электрического потенциала очень удобна. Она позволяет сравнивать не только различные электрические поля, но и отдельные точки одного и того же поля. Вместо того, например, чтобы говорить «шар А наэлектризован более сильно, чем шар Б», можно сказать: «потенциал шара А выше потенциала шара Б». Потенциал точки поля обычно обозначается буквой φ.

Электрическое поле может создаваться не только положительным или отрицательным зарядом, но и их совокупностью. В таком поле отдельные точки могут иметь как отрицательные, так и положительные потенциалы. Чтобы в этом случае сравнивать потенциалы различных точек, ввели условное понятие о точке с нулевым потенциалом, т. е. стали считать, что одна из точек (или несколько точек) имеет потенциал, равный нулю. Потенциалы остальных точек поля определяются относительно точки нулевого потенциала. Этот метод аналогичен методу измерения температур. Там также определенная температура (температура тающего льда) принимается за нулевую точку и по отношению к ней определяется температура других тел.

В электротехнике условно считают, что нулевой потенциал имеет поверхность земли.

Если потенциал в данной точке выше потенциала земли, то мы говорим, что точка обладает положительным потенциалом. Если же, наоборот, потенциал точки ниже потенциала земли, то точка обладает отрицательным потенциалом.

Измеряя потенциалы различных точек электрического поля относительно земли, можно убедиться в том, что они неодинаковы. Значит, между отдельными точками может быть некоторая разность потенциалов.

Определение: Разность потенциалов между двумя точками электрического поля называется напряжением. Напряжение, так же как и потенциал, измеряется в вольтах.

Сказанное поясним примером.

На рис. 1 мы условно показали четыре точки: А—с потенциалом + 20 в, Б — с потенциалом +40 в, В — с нулевым потенциалом (земля) и Г — с потенциалом—15 в.

Рисунок 1. Разность потенциалов между различными точками электрического поля

Разность потенциалов между точками Б и А =40—20=20 в;

Разность потенциалов между точками А и В =20— 0=20 в;

Разность потенциалов между точками Б и В =40— 0=40 в;

Разность потенциалов между точками А и Г=20—(—15) =35 в.

Потенциал точки Б выше потенциалов точек А, В и Г. Потенциал точки А выше потенциалов точек В и Г, но ниже потенциала точки Б. Потенциал точки В ниже потенциалов точек А и Б, но выше потенциала точки Г.

Следует обратить внимание на то, что точки отрицательного потенциала имеют более низкий потенциал, чем тонки нулевого потенциала.

Можно и иначе определить напряжение между двумя точками. Для этого рассмотрим две точки А и Б электрического поля.

Допустим, что потенциал точки А равен φ_А потенциал точки Б равен φ_Б. Потенциал точки А (или Б) определяется той работой, которую необходимо затратить на перенос единичного положительного заряда из-за пределов поля в точку А (или Б). Если для переноса единичного положительного заряда из-за предела поля в точку А и в точку Б требуется затратить различную по величине работу, то φ_А не равно φ_Б и между точками А и Б существует некоторая разность потенциалов, или напряжение. Это напряжение определяется разностью φ_А — φ_Б т. е. работой, совершаемой силами поля при переносе единичного положительного заряда из точки А в точку Б.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Что такое электрический потенциал

Электрический потенциал — это физическая величина, которая характеризует энергетическое состояние электрического поля в данной точке. Он показывает, какую работу совершают электрические силы над положительным зарядом, перемещающимся в поле.

Электрический потенциал — количественная характеристика электрического поля, основанная на измерении той работы электрических сил, которую совершает поле при перемещении в нем зарядов. Для измерения электрического потенциала служит специальные приборы — электрокопы и электрометры.

Электрическое поле, создаваемое зарядами, обладает следующим важным свойством: работа, совершаемая силами поля при перемещении в нем зарядов, зависит только от положения начальной и конечной точек перемещения, но не зависит от пути, по которому происходит перемещение (поле, обладающее таким свойством, называется потенциальным).

Поэтому электрическое поле в каждой точке может быть охарактеризовано той работой, которую совершают силы поля при перемещении определенного заряда из данной точки в бесконечность (практически в столь удаленную точку, что поле в ней уже можно считать равным нулю).

Такой характеристикой и является электрический потенциал данной точки поля, выражающийся той работой, которую совершают силы поля при удалении единичного положительного заряда из этой точки в бесконечность.

Если это перемещение происходит в направлении силы, действующей со стороны поля, то эта сила совершает положительную работу и потенциал начальной точки положителен. Если перемещение происходит навстречу силе, действующей со стороны поля, то сила поля совершает отрицательную работу и потенциал начальной точки отрицателен.

Так как работа, совершаемая при перемещении заряда в электрическом поле, не зависит от пути, а только от положения начальной и конечной точек, то работа, совершаемая при перемещении по любому пути из точки А в точку В, равна сумме работ, совершаемых при перемещении из А в бесконечность и из бесконечности в В (т. к. два последних перемещения также представляют собой перемещение из А в В, но по другому пути).

Иначе говоря, работа, совершаемая силами поля при перемещении единичного положительного заряда из точки А в точку В, равна разности электрических потенциалов точек А и В.

Свободный положительный заряд под действием силы электрического поля всегда будет двигаться в направлении силы, которая при этом будет совершать положительную работу, т. е. он всегда будет двигаться от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким потенциалом. Отрицательные заряды будут двигаться, наоборот, от точки с более низким потенциалом к точкам с более высоким потенциалом.

Так же как тяжелые тела в поле тяжести движутся от более высокого уровня к более низкому, положительные электрические заряды движутся от более высокого потенциала к более низкому.

Электрический потенциал является скалярной величиной, то есть он не имеет направления. Однако, электрический потенциал не является абсолютной величиной, то есть он не имеет единственного и неизменного значения в каждой точке пространства.

Это связано с тем, что потенциальная энергия заряженной частицы определяется с точностью до произвольной постоянной, которая зависит от выбора нулевого уровня потенциальной энергии. Поэтому электрический потенциал также определяется с точностью до произвольной постоянной, которая зависит от выбора нулевого уровня потенциала.

Обычно нулевым уровнем потенциала принимают потенциал в бесконечно удаленной точке от всех зарядов, то есть считают, что потенциал в бесконечности равен нулю. Однако, в некоторых случаях может быть удобно выбрать другой нулевой уровень потенциала, например, потенциал земли или потенциал какого-то опорного заряда.

Так же как для движения тяжелых тел играет роль не абсолютный уровень в какой-либо точке, а разность уровней точек, между которыми происходит перемещение тел, для движения электрических зарядов существенна не сама величина потенциала (отсчитываемого относительно бесконечности), а разность потенциалов точек, между которыми может происходить движение электрических зарядов, например, точек, соединенных проводником.

Поэтому во всех электрических задачах играет роль не потенциал, а разность потенциалов, и для этой последней величины введено специальное название — напряжение (разность потенциалов между двумя точками). Единицей измерения разности потенциалов (напряжения) в практической системе единиц служит вольт.

Использование электрического потенциала

Электрический потенциал используется для решения различных задач в физике, химии, биологии и технике. Например:

• В электростатике электрический потенциал позволяет определить работу электрического поля при перемещении заряда, потенциальную энергию системы зарядов, напряжение между двумя точками и емкость конденсатора.
• В электродинамике электрический потенциал входит в уравнения Максвелла и связан с магнитным полем и электромагнитными волнами.
• В электрохимии электрический потенциал определяет скорость и направление химических реакций, происходящих на электродах. Стандартный электродный потенциал показывает способность вещества к окислению или восстановлению.
• В биологии электрический потенциал играет важную роль в передаче нервных импульсов и мышечном сокращении. Мембранный потенциал — это разность электрических потенциалов между внутренней и внешней сторонами клеточной мембраны.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Что такое электрический потенциал

Потенциальной в физике называют энергию, определяемую расположением тел в каком-либо поле. То есть, она представляет собой работу, вызванную в этом поле переносом материальных тел (точек). Например, в таком потенциальном поле, как тяготение Земли, работа, связанная с поднятием предмета массой m на незначительную высоту h и есть его потенциальная энергия.

Что такое электрический потенциал

В любом поле реально определить степень потенциальной энергии и электростатическое не исключение, поскольку оно состоит из материальных точек с электрозарядом. Из-за того, что в электростатическом поле все объекты (точки) обладают единичным плюсовым электрозарядом, а у последнего есть запас потенциальной энергии, то она выражается скалярным физическим параметром, соответствующим энергетическому состоянию. Объясняя по-простому, потенциал электростатического поля выражается действиями, совершенными его силами во время переноса в нем зарядов из отправных точек в зону окончания перехода. Следовательно, можно сказать, что потенциал электрического поля — это выявление степени прилагаемых сил. Это означает, что электростатическим пространством задействуются силы для перемещения электрозарядов с одного места на новое, их величину и следует определить.

Единица измерения

Так как потенциальность электрического поля — параметр энергетический, то он определяется соотношением потенциальной энергии к величине электрозаряда.

Если при перемещении электрозаряда 1 Кулон совершается работа 1 Джоуль, то разность потенциалов, присутствующая между двумя точками электрополя, будет измеряться одним вольтом. Следовательно, 1В = 1 Дж/Кл.

В системе СГС для единицы измерения электрического потенциала не существует специального названия. Работа в этой системе измеряется эргами, разность потенциалов — единицей потенциала СГСЭ, электрозаряд — единицей заряда СГСЭ. Соответствие между единицами измерения систем СИ и СГС выражается равенством 1 В = 1/300 ед. потенциала СГСЭ.

Электрический (энергетический) потенциал

Взаимодействие тел в физике характеризуется их потенциальными энергиями. Электростатическое поле потенциально, так как его действие в условиях замкнутой территории нулевое, а все поля с подобными условиями признаны потенциальными.

Действие сил потенциального поля выражается через энергию, измененную им. То есть, степень потенциальной энергии электрозаряда не соотносится с его уровнем при перемещении. Поэтому качественное определение электрополя выражается потенциалом, который не зависит от находящегося в нем заряда.

Физический смысл имеет не электрический или электростатический потенциал, а разность потенциалов. Она обозначается как φ₁-φ₂ и определяется по формуле:

Потенциал точки электрополя

Поле, сформированное электрозарядами, отличается тем, что работа, возникшая при воздействии его сил на заряженные точки для их переноса, зависит исключительно от расположения последних. То есть, от места, где точка была и где она будет, но никак не от маршрута ее следования. Именно это и есть потенциальность электрического поля.

Потенциал точки электрического поля определяется действиями, которые предпринимают силы данного поля для переброски заряда от изначального расположения в настолько далекую бесконечность, что место его перехода принято считать нулевым. Следовательно, электрический потенциал точки выражается работой, совершенной силами электростатического пространства для переброса плюсового единичного заряда из исходного его расположения в бесконечность.

При переносе объекта тем же курсом, по которому направлены силы, производящие работу со стороны электрополя, последние совершают положительное действие, а значит и потенциал отправной точки также положителен. Если, наоборот, объект двигается им навстречу, то они совершают отрицательное действие и знак потенциала точки будет отрицательным.

Так как в электрическом поле при переносе заряда из отправной в конечную точку не важен маршрут следования, а только место расположения, то работа, проделанная в период перехода из одного пункта в другой, равняется сумме проделанных работ: сначала из пункта отбытия в бесконечность, а затем из последней — в пункт прибытия.

Описывая по-другому, работа, которую выполняет электрическое поле при переносе единичного заряда, равна разнице электрических потенциалов обеих точек. Поэтому электростатическое поле — это потенциальное поле. Оно напрямую зависит от места расположения зарядов — изначального и окончательного, а не от их пути.

Вот почему заряд с плюсовым значением всегда направляется к силе, совершающей положительное действие. То есть, он исходит от точек, потенциал которых высок, к тем, у которых он низок. Отрицательные же заряды направлены от точек с низким к обладающим более высоким потенциалом.

Физическая составляющая поля

Параметр, определяющий энергетическую составляющую поля, называется потенциалом точки. То есть, в электростатическом пространстве есть заряд (q), обладающий потенциальной энергией (W). Если сравнить с потенциальной энергией, например, в механике, то у шара, лежащего на земле, она нулевая. Стоит поднять этот шар на любую высоту (произвести работу (А)), как он приобретает потенциальную энергию. В электрике энергия измеряется в вольтах. Если она имеет величину 1 Дж, а заряд 1 Кл, то потенциал электрического поля будет равен значению 1 Дж/1Кл, то есть 1 W.

Энергетическая составляющая электростатического поля — потенциал (силовая — напряжение). Для всех видов полей (однородных и других) свойственно, что потенциальная энергия соответствует заряду в электростатическом поле.

Силы последнего в пределах замкнутой траектории, проделывая работу по переносу заряда, равны нулю. То, что сила нулевая и не обусловлена траекторией и ее формой, делает ее консервативной силой. Поэтому потенциальное — это силовое поле с консервативными силами, действующими на тела.

Электрический потенциал простыми словами: формулы, единица измерения

Электрический потенциал — это скалярная энергетическая характеристика электростатического поля, характеризующая потенциальную энергию, которой обладает единичный положительный пробный заряд, помещённый в данную точку поля.

Если вы хотите расширить свои знания об электрическом потенциале или сначала узнать, что такое электрический потенциал, то вы пришли по адресу.

Простое объяснение

В классической механике рассмотрение проблемы с точки зрения энергии может значительно упростить ситуацию по сравнению с рассмотрением ее с точки зрения сил, действующих на систему. В частности, в этом контексте существенную роль играет тот факт, что энергия является сохраняющейся переменной.

Также в классической электродинамике рассмотрение на энергетическом уровне оказывается очень полезным. Поэтому электрический потенциал φ (также называемый электростатическим потенциалом) определяется как отношение потенциальной энергии E_пот пробного электрического заряда и его величины электрического заряда q: φ = E_пот / q .

Возможность определения такого электрического потенциала обусловлена тем, что электрическое поле E распределения заряда и результирующая электростатическая сила F_c на пробном электрическом заряде является консервативной силой, подобной гравитационной силе.

Электрический потенциал имеет единицу измерения вольт В или также джоуль на кулон Дж / Кл .

Формулы

В этом разделе мы познакомим вас с двумя важными формулами для электрического потенциала определенных распределений электрических зарядов. Мы также кратко обсудим аналогию между электрическим потенциалом и гравитацией.

Пластинчатый конденсатор

Мы рассматриваем ситуацию, когда две плоские пластины расположены параллельно на расстоянии d друг от друга. Кроме того, пусть одна из двух пластин заряжена положительно, а другая — отрицательно. Такая комбинация также называется пластинчатым конденсатором. Обозначим точку на положительной пластине через A, а точку на отрицательной пластине через B. Тогда для разности потенциалов между этими двумя точками получим:

Здесь E — величина электрического поля между двумя пластинами, которое предполагается однородным. Такая разность потенциалов также называется электрическим напряжением, которое существует между этими двумя точками.

Из этого уравнения видно, что электрический потенциал на положительно заряженной пластине (пластина A) выше, чем потенциал на отрицательно заряженной пластине (пластина B). Поэтому положительный заряд в пластинчатом конденсаторе перемещается к отрицательной пластине. В общем случае электрическое поле — а значит, и направление движения положительного заряда — направлено в ту сторону, в которой электрический потенциал убывает быстрее всего.

Аналогия с гравитационным полем

Если умножить уравнение (приведенное выше в статье) на величину электрического заряда q пробного электрического заряда и предположить, что отрицательно заряженная пластина имеет электрический потенциал, равный нулю, то электрическая потенциальная энергия на расстоянии h от пластины равна:

E_{пот. эл} = q * φ = q * E * h

Здесь φ обозначает электрический потенциал в точке пробного электрического заряда.

Сравним это уравнение с потенциальной энергией в однородном гравитационном поле:

E_{пот. гр} = m * g * h .

Мы определяем, что количество заряда электрического q играет роль массы m, а величина электрического поля E играет роль гравитационного ускорения g. Масса, находящаяся на высоте h над землей, ускоряется по направлению к земле под действием земного притяжения.

Таким образом, масса движется в том направлении, в котором уменьшается ее потенциальная энергия. Аналогично, положительный электрический заряд движется в направлении, в котором его электрическая потенциальная энергия будет уменьшаться. Поскольку электрическая потенциальная энергия и электрический потенциал линейно связаны, это наблюдение аналогично тому, что положительно заряженная частица движется в направлении уменьшения электрического потенциала.

Подобно потенциальной энергии, только разность потенциалов имеет физический смысл, поскольку при определении электрического потенциала необходимо произвольно определить точку отсчета, от которой затем можно обозначить другие точки в пространстве. В этом смысле электрический потенциал сам по себе не имеет реального физического смысла, поскольку для данной точки в пространстве его значение можно изменить, выбрав другую точку отсчета. Таким образом, электрический потенциал ведет себя подобно высоте, потому что вы не можете говорить о высоте, пока у вас нет точки отсчета.

На топографической карте — пути, вдоль которых высота не меняется, называются изолиниями. Аналогично, пути, вдоль которых электрический потенциал постоянен, называются эквипотенциальными линиями.

Заряженные частицы

Предположим, что частица с зарядом q находится в начале выбранной нами системы координат. Пусть положение другой точки равно r и пусть r — расстояние между двумя точками. Для электрического потенциала в точке r действует следующее соотношение:

φ (r) = q / 4 * π * ε₀ * r ,

здесь ε₀ — электрическая постоянная.

В этом уравнении предполагается, что под действием электрического поля положительный пробный электрический заряд переносится из бесконечности в положение r.

Примеры задач

Наконец, давайте вместе рассчитаем небольшой пример. Предположим, что электрон ускоряется от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной через разность потенциалов 2000 В. Как изменяется потенциальная энергия электрона?

Для разности электрических потенциалов между двумя пластинами: φ_B — φ_A = ΔE_пот / q , преобразованной в искомое изменение потенциальной энергии, получаем:

Величина электрического заряда электрона равна q_e = e = — 1,6 * 10 -19 Кл и поэтому получаем:

ΔE_пот = e * ( φ_B — φ_A ) = — 1,6 * 10 -19 Кл * 2000 В = -3,2 * 10 -19 Дж.

Обратите внимание, что [ В ] = Дж / Кл. Кроме того, мы предположили, что пластина с точкой B заряжена положительно, поэтому перед 2000 В нет знака минус. Расчет показывает, что потенциальная энергия электрона уменьшается.

Список использованной литературы

1. Соколович Ю. А., Богданова Г. С. Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е издание передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н. Физика: Учеб. для общеобразоват. учреждений. Базовый и профильный уровни. 19-е издание – М.: Просвещение, 2010.