Дайте определение разности потенциалов. Что такое разность потенциалов

Из курса Механики известно, что потенциальная энергия тела связана с работой силы, например, подъем груза в гравитационном поле увеличивает его потенциальную энергию.

Поскольку, в электрическом поле на заряды также действуют силы, понятие потенциальной энергии будет справедливо и для электрических полей, при этом изменение потенциальной энергии электрического поля является движущей силой электрического тока, и называется напряжением .

Предположим, что в электрическом поле плоского конденсатора положительно заряженный одиночный заряд движется по направлению к положительной пластине, как показано на рисунке ниже.

На одиночный заряд со стороны положительной пластины будет действовать отталкивающая сила, а со стороны отрицательной - притягивающая. Определим изменение потенциальной энергии одиночного положительного заряда при его перемещении между пластинами конденсатора, против сил, действующих в противоположном направлении.

Работа, выполняемая одиночным зарядом, будет равна:

• F - сила, действующая на заряд;
• s - перемещение заряда.

В свою очередь:

F = qE тогда A = qEs

• q - величина заряда;
• E - напряженность электрического поля.

Данная величина работы будет равна увеличению потенциальной энергии заряда ΔW :

ΔW = qEs

Электрическое поле в физике характеризуется его напряженностью - силой, действующей со стороны поля на точечный заряд в 1 Кл.

Изменение потенциальной энергии электрического поля между двумя точками описывается электрическим напряжением или разностью потенциалов .

Разность потенциалов определяется, как отношение работы электрического поля при переносе электрического заряда из одной точки в другую к его величине.

Поскольку, A = qEs , т.е., работа равна изменению потенциальной энергии заряда при перемещении на расстояние s от отрицательной пластины, поэтому, электрический потенциал в месте нахождения электрического заряда будет равен:

U = W/q = Es

Электрический потенциал точечного заряда

Определить потенциал точечного заряда Q будет сложнее, поскольку его электрическое поле не такое постоянное, как в конденсаторе, и зависит от расстояния до течечного объекта:

F = (kQq)/r 2

• F - сила, действующая на пробный заряд;
• Q - заряд точечного объекта;
• q - заряд пробного объекта, помещенного в электрическое поле объекта Q;
• r - расстояние между точечным зарядом Q и пробным зарядом q;
• k=8,99·10 9 Н·м 2 /Кл 2

Напряженность электрического поля в любой точке вокруг точечного заряда определяется по формуле:

F = (kQ)/r 2

Изменение электрического потенциала пробного заряда равно выполненной работе, деленной на величину пробного заряда:

U = A/q = kQ/r

• U - разность потенциалов;
• A - работа.

Чем больше расстояние r, тем ниже потенциал (при r=∞ U=0).

Электрический потенциал, как и электрическое поле можно представить графически в виде эквипотенциальных поверхностей (поверхности с одинаковым потенциалом). Поскольку, величина потенциала точечного заряда зависит от расстояния, то эквипотенциальными поверхностями точечного заряда являются сферы, в центре которых находится точечный заряд. Соответственно эквипотенциальными поверхностями плоского конденсатора будут плоскости, расположенные параллельно пластинам конденсатора.

Емкость конденсатора

Выше уже было сказано, что на пластинах конденсатора хранятся противоположные по знаку электрические заряды, которые притягиваются друг к другу, но не могут соединиться. А сколько зарядов может находиться на пластинах конкретного конденсатора, говоря другими словами, каков заряд конденсатора ?

Заряд конденсатора определяется его емкостью , и связан с напряжением между пластинами следующей формулой:

• q - заряд пластин конденсатора;
• C - емкость конденсатора;
• U - напряжение между пластинами конденсатора.

Для плоского конденсатора напряженность его электрического поля определяется по формуле:

E = q/(ε 0 A)

• A - площадь пластины конденсатора;
• ε 0 - электрическая постоянная

Поскольку, для плоского конденсатора U=Es , то U=(qs)/(ε 0 A) .

Подставив в формулу значение заряда q=CU , получаем формулу емкости конденсатора (измеряется в Фарадах):

C = q/U = (ε 0 A)/s Кл/В или Ф

В реальных конденсаторах, которые применяются в электрических схемах приборов и устройств, пластины конденсатора разделены не воздухом, а диэлектриком (веществом, которое плохо проводит электричество). Применение диэлектрика дает возможность инженерам конструировать малогабаритные конденсаторы достаточно большой емкости, чего простой воздух делать не позволяет.

Емкость конденсатора увеличивается пропорционально диэлектрической проницаемости диэлектрика ε:

C = q/U = (εε 0 A)/s

Проведя несложные расчеты, можно вывести формулу для определения энергии конденсатора.

Работа сил электростатического поля по перемещению заряда q 0 из точки 1 в точку 2 поля

Выразим потенциальную энергию через потенциалы поля в соответствующих точках:

Таким образом, работа определяется произведением заряда на разность потенциалов начальной и конечной точек.

Из этой формулы разность потенциалов

Разность потенциалов - это скалярная физическая величина, численно равная отношению работы сил поля по перемещению заряда между данными точками поля к этому заряду.

В СИ единицей разности потенциалов является вольт (В).

1 В - разность потенциалов между двумя такими точками электростатического поля, при перемещении между которыми заряда в 1 Кл силами поля совершается работа в 1 Дж.

Разность потенциалов в отличие от потенциала не зависит от выбора нулевой точки. Разность потенциалов часто называют электрическим напряжением между данными точками поля:

Напряжение между двумя точками поля определяется работой сил этого поля по перемещению заряда в 1 Кл из одной точки в другую. В электростатическом поле напряжение вдоль замкнутого контура всегда равно нулю.

Работу сил электрического поля иногда выражают не в джоулях, а в электронвольтах. 1 эВ равен работе, совершаемой силами поля при перемещении электрона (е = 1,6·10 -19 Кл) между двумя точками, напряжение между которыми равно 1 В.

1 эВ = 1,6·10 -19 Кл·1 В = 1,6·10 -19 Дж.

1 МэВ = 10 6 эВ = 1,6·10 -13 Дж.

Электрическое поле графически можно изобразить не только с помощью линий напряженности, но и с помощью эквипотенциальных поверхностей.

Эквипотенциальной называется воображаемая поверхность, в каждой точке которой потенциал одинаков. Разность потенциалов между двумя любыми точками эквипотенциальной поверхности равна нулю.

Следовательно, работа по перемещению заряда вдоль эквипотенциальной поверхности равна 0. Но работа рассчитывается по формуле

Следовательно, линии напряженности перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. Первая эквипотенциальная поверхность металлического проводника - это поверхность самого заряженного проводника, что легко проверить электрометром. Остальные эквипотенциальные поверхности проводятся так, чтобы разность потенциалов между двумя соседними поверхностями была постоянной.

Картины эквипотенциальных поверхностей некоторых заряженных тел приведены на рис. 1.

Эквипотенциальными поверхностями однородного электростатического поля являются плоскости, перпендикулярные линиям напряженности (рис. 1, а).

Эквипотенциальные поверхности поля точечного заряда представляют собой сферы, в центре которых расположен заряд q (рис. 1, б).

В механике взаимное действие тел друг на друга характеризуют силой или потенциальной энергией. Электростатическое поле , осуществляющее взаимодействие между за-рядами, также характеризую двумя величинами, Напряженность поля — это силовая характеристика. Теперь введем энергетическую характерис-тику — потенциал.

Потенциал поля . Работа любого электростатического поля при перемещении в нем заряженного тела из одной точки в другую также не за-висит от формы траектории, как и работа однородного поля. На замкну-той траектории работа электростати-ческого поля всегда равна нулю. Поля, обладающие таким свойством, называют потенциальными. Потен-циальный характер, в частности, имеет электростатическое поле точечного заряда.

Работу потенциального поля можно выразить через изменение потенциальной энергии. Формула А= — (W P 1 — W P 2) справедлива для любого электростатического поля. И только в случае однородного по-ля потенциальная энергия выражает-ся формулой W p =qEd.

Потенциал

Потенциальная энер-гия заряда в электростатическом по-ле пропорциональна заряду. Это справедливо как для однородного поля, так и для любого другого. Следовательно, от-ношение потенциальной энергии к за-ряду не зависит от помещенного в поле заряда.

Это позволяет ввести новую ко-личественную характеристику по-ля — потенциал, не зависящую от заряда, помещенного в поле.

Потенциалом электростатическо-го поля называют отношение потен-циальной энергии заряда в поле к этому заряду.

Согласно данному определению потенциал равен:

Напряженность поля является вектором и представляет собой си-ловую характеристику поля; она определяет силу, действующую на заряд q в данной точке поля. По-тенциал φ — скаляр, это энергетиче-ская характеристика поля; он опре-деляет потенциальную энергию за-ряда q в данной точке поля.

Если в качестве нулевого уровня потенциальной энергии, а значит, и потенциала принять отрицательно заряженную пластину, то согласно формулам W p =qEd и (1) потенциал однородного поля равен:

Разность потенциалов

Подобно потенциальной энергии, значение по-тенциала в данной точке зависит от выбора нулевого уровня для отсчета потенциала. Практическое значение имеет не сам потенциал в точке, а изменение потенциала, которое не за-висит от выбора нулевого уровня отсчета потенциала.

Так как потенциальная энергия W p = qφ, то работа равна:

разность потенциалов, т. е. разность значений потенциала в начальной и конечной точках траектории.

Разность потенциалов называют также напряжением.

Согласно формулам (2) и (3) разность потенциалов оказы-вается равной:

(4)

Разность потенциалов (напряже-ние) между двумя точками равна отношению работы поля при пе-ремещении заряда из начальной точки в конечную к этому за-ряду.

Зная напряжение в осветитель-ной сети, мы тем самым знаем ра-боту, которую электрическое поле может совершить при перемещении единичного заряда от одного кон-такта розетки к другому по любой электрической цепи. С понятием раз-ности потенциалов мы будем иметь дело на протяжении всего курса физики.

Единица разности потенциалов

Единицу разности потенциалов уста-навливают с помощью формулы (4). В Международной системе единиц работу выражают в джоулях, а заряд — в кулонах. Поэтому раз-ность потенциалов между двумя точками равна единице, если при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки в другую электрическое поле совершает работу в 1 Дж. Эту единицу называют вольтом (В); 1 В = 1 Дж/1 Кл.

Энергетическую характеристику электростатического поля называют потенциалом. Потенциал равен от-ношению потенциальной энергии за-ряда в поле к заряду. Разность потенциалов между двумя точками равна работе по перемещению еди-ничного заряда.

Важнейшим понятием, используемым в электрике, радиотехнике и в любой другой сфере, связанной с электричеством, выступает разность потенциалов между точками, или более привычное название – электрическое напряжение. С виду простое понятие включает в себя довольно много аспектов и тезисов.

Сущность понятия потенциальной разницы

Первоначально охарактеризуем сам термин, что такое разность потенциалов. Такая разница в потенциалах между двумя точками, находящимися на некотором расстоянии (А и Б), есть значение, прямо пропорциональное проведенному действию среды по переносу источника электромагнитного фона со знаком «+» из одной точки в другую и обратно пропорциональная величине самого источника электромагнитного поля.

Как найти разность потенциалов, отображено формулой:

φ1-φ2=А1-2/q, где:

• φ1 – заряженная частичка в исходном месте;
• φ2 – заряженная частичка в конечном месте;
• А1-2 – действие, потраченное на перенос частицы с первоначального местоположения до конечного размещения;
• q – заряд, находящийся в среде.

Потенциальная разница имеет свою единицу измерения – вольт. Итальянский физиолог, военный инженер и физик А.Вольт занимался этой проблематикой и явил миру ряд понятий: разность потенциалов и электрическое напряжение, назвав единицу измерения своей фамилией. По системе СИ характеристика 1 Вольт прямо пропорциональна параметру 1 Джоуль и обратно пропорциональна 1 Кулону.

Поведение заряженных частиц

Токопроводящие материалы при более детальном рассмотрении состоят из плотно прилегающих друг к другу ядер вещества, не способных самостоятельно передвигаться. Вокруг этих ядер находятся мелкие частички, вращающиеся с огромной скоростью и называемые электронами. Их скорость настолько велика, что они способны отрываться от своих ядер и присоединяться к другим и таким образом беспрепятственно передвигаться по материалу. Молекула или частичка будет считаться электрически нейтральной при условии, что численность электронов в молекуле соответствует уровню протонов в ядре. Если же забрать некоторое число свободно вращающихся отрицательно заряженных частиц, то молекула будет всячески стремиться восстановить их количество. Образуя вокруг себя положительную область со знаком «+», молекула будет стремиться притянуть к себе недостающее число отрицательно заряженных частиц. От численности недостающих электронов и будет зависеть ускорение и сила тока, с которой они будут притягиваться, и, соответственно, сила положительного фона. Проведя обратную операцию, добавив в молекулу лишних электронов, получим силу, старающуюся вытолкнуть лишний их объем и, соответственно, образующую электрическое поле, но уже со знаком «-» – отрицательная среда. Эта ускоряющая разность потенциалов заставляет все электроны двигаться в одном направлении.

Изучив это явление, французский физик Шарль Огюстен Кулон ввел физическую величину, которая определяла способность тел быть источником ЭМ фона и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Такая величина получила название электрический заряд, с величиной измерения Кулон.

В итоге получены два источника ЭМ фона, один из которых стремится отдать излишек электронов, второй – притянуть электроны в достаточном количестве. Каждый такой заряд обладает своей «силой». Выражение, которое бы количественно характеризовало его сущность, представлено отношением:

и пропорционально энергетике источника поля, размещенного в данной точке к этому заряду. Соответственно, этот показатель характеризует работу источника электромагнитного поля и является энергетической характеристикой области. В случае если имеется некоторое количество заряженных частиц, то, опираясь на принцип суперпозиции, суммарная энергия образовавшейся области равна сумме полей зарядов, сформированных каждым в отдельности:

φсумм.=φ1+φ2+…+ φі.

Неотъемлемой частью расчетов выступает работа по перемещению заряда в электрической среде. Опираясь на то, что на положительный точечный источник электромагнитного поля q в электрическом поле с напряженностью Е действует сила:

на отрезке L совершается действие, равное:

Одно из свойств электростатического поля повествует о возможности пренебречь траекторией движения заряда при совершении работы по перемещению между двумя точками, а учитывать только первоначальную и конечную точку и величину источника электромагнитного поля. Соответственно косинусом можно пренебречь:

А=qEl=qE(l1-l2)=qEl1-qEl2,

поскольку действие А является мерой измерения энергии, и:

В результате работу находить достаточно легко:

A=W1-W2=-(W2-W1).

Исходя из формулы, определяющей величину энергопотенциала:

и воспринимая работу А как разницу энергий, доказана формула потенциальной разницы:

φ1-φ2=А1-2/q.

Изложенный материал подробно раскрывает такие термины, как разность потенциалов и потенциал. Детально рассмотрены порядок возникновения заряженных частиц, электростатического поля и их поведение по отношению друг к другу. Дополнительно рассмотрено ряд законов, касающихся основ электродинамики.

Видео

Понятие «потенциал» широко используется в физике для характеристики различных полей и сил. Наиболее известны такие применения:

• Электромагнитный – характеристика электромагнитного поля;
• Гравитационный – характеристика полей гравитации;
• Механический – определение сил;
• Термодинамический – мера внутренней энергии тел термодинамической системы;
• Химический;
• Электродный.

В свою очередь, электромагнитный делится на два понятия:

• Электростатический (скалярный), как характеристика электрического поля;
• Векторный, характеризующий магнитное поле.

Напряженность изменяющегося электрического поля находится через электрический потенциал, в то время как статичное поле характеризуется электростатическим.

Разность потенциалов, или напряжение, – одно из основных понятий электротехники. Ее можно определить как работу электрического поля, затраченную на перенос заряда между двумя точками. Тогда на вопрос, что такое потенциал, можно ответить, что это работа по переносу единичного заряда из данной точки в бесконечность.

Как и в случае гравитационных сил, заряд, подобно телу с потенциальной энергией, имеет определенный электрический потенциал при внесении его в электрическое поле. Чем выше напряженность электрического поля, и больше величина заряда, тем выше его электрический потенциал.

Для определения напряжения существует формула:

которая связывает работу А по перемещению заряда q из одной точки в другую.

Проведя преобразование, получим:

То есть чем выше напряжение, тем большую работу электрическим полем (электричеством) надо затратить по переносу зарядов.

Данное определение позволяет понять суть мощности источника питания. Чем выше его напряжение, разность потенциалов между клеммами, тем большее количество работы он может обеспечить.

Разность потенциалов измеряется в вольтах. Для измерения напряжения созданы измерительные приборы, которые именуются вольтметрами. Они основаны на принципах электродинамики. Ток, проходя по проволочной рамке вольтметра, под действием измеряемого напряжения создает электромагнитное поле. Рамка находится между полюсами магнитов.

Взаимодействие полей рамки и магнита заставляет последнюю отклониться на некоторый угол. Большая разность потенциалов создает больший ток, в результате угол отклонения увеличивается. Шкала прибора пропорциональна углу отклонения рамки, то есть разности потенциалов и проградуирована в вольтах.

В руках современного электрика имеются не только стрелочные, но и цифровые измерительные приборы, которые не только измеряют электрический потенциал в определенной точке схемы, но и другие величины, характеризующие электрическую цепь. Напряжения в точках измеряются по отношению к другим, которым условно присваивают значение нуля. Тогда измеренное значение между нулевым и потенциальным выводами даст искомое напряжение.

Сказанное выше относится к напряжению как разности потенциалов между двумя зарядами. В электротехнике эта разность измеряется на участке цепи при протекании по нему тока. В случае переменного тока, то есть изменяющего во времени амплитуду и полярность, напряжение в цепи изменяется по такому же закону. Это справедливо только при наличии в схеме активных сопротивлений. Реактивные элементы в цепи переменного тока вызывают сдвиг фазы относительно протекающего тока.

Потенциометры

Напряжение источников питания, в особенности автономных, таких как аккумуляторы, химические источники, солнечные и тепловые батареи, является постоянным и не поддается регулировке. Для получения меньших значений используются, в простейшем случае, потенциометрические делители напряжения с использованием трехвыводного переменного резистора (потенциометра). Как работает потенциометр? Переменный резистор представляет собой резистивный элемент с двумя выводами, по которому может перемещаться контактный ползунок с третьим выводом.

Переменный резистор может включаться двумя способами:

• Реостатным;
• Потенциометром.

В первом случае у переменного резистора используются два вывода: один – основной, другой – с ползунка. Перемещая ползунок по телу резистора, изменяют сопротивление. Включив реостат в цепь электрического тока последовательно с источником напряжения, можно регулировать ток в цепи.

Включение потенциометром требует использования всех трех выводов. Основные выводы подключаются параллельно источнику питания, а пониженное напряжение снимается с ползунка и одного из выводов.

Принцип действия потенциометра заключается в следующем. Через резистор, подключенный к источнику питания, проходит ток, который создает падение напряжения между ползунком и крайними выводами. Чем меньше сопротивление между ползунком и выводом, тем меньше напряжение. Данная схема имеет недостаток, она сильно нагружает источник питания, поскольку для корректной и точной регулировки требуется, чтобы сопротивление переменного резистора было в несколько раз меньше сопротивления нагрузки.

Обратите внимание! Название «потенциометр» в данном случае не совсем корректно, поскольку из названия следует, что это устройство для измерения, но так как по принципу действия оно схоже с современным переменным резистором, то это название за ним прочно закрепилось, особенно в любительской среде.

Многие понятия в физике схожи и могут служить примером друг другу. Это справедливо и для такого понятия, как потенциал, который может быть как механической величиной, так и электрической. Сам по себе потенциал измерить невозможно, поэтому речь идет о разности, когда один из двух зарядов принимается за точку отсчета – нуль или заземление, как принято в электротехнике.

Видео