Potencijalna razlika.
Električni napon. Voltage Current.

Tema— Električni napon. Potencijalna razlika. voltaža.

Jedan od najčešće korištenih izraza među električarima je električni napon. U nauci se to obično zove - razlika potencijala, a kažu i neznalice - napon. Opšte značenje ovih imena je u principu isto. I šta ovaj koncept znači? Evo uobičajene formulacije knjige: Električni napon je omjer rada električno polje punjenja prilikom prenošenja probnog punjenja iz tačke "1" u tačku "2". Pa, ako ti kažeš jednostavnim riječima, bit će ovako:

Prije svega, vrijedi to zapamtiti električnih naboja Postoje 2 tipa - pozitivan "+" i negativan "-". Imaju jedno jednostavno i korisno svojstvo, odbojnost i privlačnost jedni prema drugima, ovisno o sličnosti i raznolikosti njihovih vrsta. Odnosno, ako počnete da približavate neke pluseve ili samo minuse jedan drugome, onda će se oni međusobno odbijati. Ako približite plus i minus, onda će pokušati da privuku jedno drugo. Osim toga, sila međusobnog privlačenja i odbijanja direktno će ovisiti o broju samih naboja. Jednostavno rečeno, što više "plus" na jednom mjestu i "minus" na drugom, to će se više privući jedno drugom. Ili obrnuto, odbiti ista naplata(+ i + ili - i -).

Sada zamislimo da imamo 2 gvozdene kugle. Svaki od njih u sebi sadrži veliki broj elementarnih čestica, koje se nalaze na određenoj udaljenosti jedna od druge i nisu sposobne za slobodno kretanje. Ovo su jezgra atoma materije. Manje čestice, elektroni, trče oko ovih čestica velikom brzinom. Oni su u stanju da se odvoje od nekih atoma i pređu na druge. Ako je ukupan broj elektrona jednak broju protona u jezgru, kuglice su neutralne.

Ako željeznoj kugli oduzmete određeni broj elektrona, ona će prestati biti neutralna. Nastojat će privući nedostajući broj elektrona na sebe, zbog čega će oko sebe formirati polje sa znakom "+". Što više elektrona nedostaje, to je polje jače. Napravimo višak elektrona u drugoj kugli. Kao rezultat, formira se električno polje, ali sa znakom "-".

Tako smo stvorili 2 suprotna potencijala, od kojih jedan nastoji steći elektrone, a drugi će ih se riješiti. U gvozdenoj kugli, gde postoji višak elektrona, postoji zategnutost i čestice oko kojih postoji polje guraju jedna drugu van. I u toj kugli, gdje nedostaje elektrona, nastaje nešto poput vakuuma, koji teži da uvuče elektrone u sebe. To stvara razliku potencijala ili električni napon. Ali, čim spojimo ove kuglice, odmah će doći do međusobne razmjene, a električni napon će nestati zbog kompenzacije. Jednostavno rečeno, razlika potencijala ili električni napon je sklonost nabijenih čestica koje se nalaze između dvije točke da privlače ili se pomjeraju s nabijenijih mjesta na manje nabijena.

Recimo da imamo žice povezane na konvencionalnu električnu bateriju. Unutra se to dešava hemijska reakcija, koji gura elektrone s pozitivne strane baterije na negativnu stranu. Višak elektrona u negativnom području ide na negativni terminal baterije. Elektroni imaju tendenciju da se vrate na mjesto odakle su izbačeni. Ovo unutar same baterije ne funkcionira. Ostaje čekati da postave most u obliku metalnog vodljivog vodiča, kroz koji će ići do pozitivnog terminala baterije.

Želio bih uneti malo jasnoće - ljudi koji zapravo ne poznaju električara često kažu napon, što nije sasvim tačno. Ispravnije je reći, ipak, razlika potencijala ili električni napon.

Jednaka je sila kojom sistem naelektrisanja deluje na neko naelektrisanje koje nije uključeno u sistem vektorska suma sile kojima svako od naelektrisanja sistema posebno deluje na naelektrisanje (princip superpozicije).

A = ∑Ai

Ovdje svaki pojam ne zavisi od oblika putanje i, prema tome, ne zavisi od oblika putanje i zbira.

Dakle, elektrostatičko polje je potencijalno.

Rad snaga elektrostatičko polje može se izraziti gubitkom

Potencijalna energija je određena do konstante integracije. Vrijednost konstante u izrazu E pot. biraju se na takav način da kada se naboj ukloni do beskonačnosti (tj. na r \u003d ∞), potencijalna energija se okreće

3.3. Potencijal. Potencijalna razlika.

Različiti probni naboji q",q"",... će imati različite energije u istoj tački polja E n ", E n "" i tako dalje. Međutim, odnos E n / q "pr. će biti isti za sve naplate. Stoga smo uveli skalarnu vrijednost, koja je

Iz ovog izraza slijedi da je potencijal numerički jednak potencijalnoj energiji koju jedinični pozitivni naboj ima u datoj tački polja.

Zamjenjujući u (3.3.1.) vrijednost potencijalne energije (3.2.3), dobijamo za

Potencijal se, kao i potencijalna energija, određuje do konstante integracije. Složili smo se da smatramo da je potencijal tačke udaljene beskonačno jednak nuli. Stoga, kada kažu „potencijal te i takve tačke“, misle na potencijalnu razliku između ove tačke i tačke udaljene beskonačno. Druga definicija potencijala:

φ = A q ∞ ili A∞ = qφ,

one. potencijal brojčano jednako radu, koji se izvodi silama polja nad jediničnim pozitivnim nabojem kada se ukloni iz date tačke u beskonačnost

dA = F l dl = E l qdl

(naprotiv - isti posao se mora obaviti da bi se jedinični pozitivni naboj pomjerio iz beskonačnosti u datu tačku u polju.

Ako je polje kreirano sistemom naboja, onda, koristeći princip superpozicije, dobijamo:

one. potencijal polja koji stvara sistem naelektrisanja jednak je algebarskom zbiru potencijala koje stvara svako od naelektrisanja posebno. Ali tenzije se, kao što se sećate, zbrajaju kada se polja preklapaju - vektorska.

Vratimo se na rad sila elektrostatičkog polja nad nabojem q". Izrazimo rad

gdje je U razlika potencijala ili se također naziva napon. Usput, dobra analogija:

A12 = mgh1 − mgh2 = m(gh1 − gh2 )

gh - ima značenje potencijala gravitacionog polja, a m - naboj.

Dakle, potencijal je skalarna veličina, pa koristite i izračunajte φ

lakše od E. Uređaji za mjerenje razlike potencijala su široko rasprostranjeni. Formula A ∞ =qφ može se koristiti za utvrđivanje jedinica potencijala: jedinica φ se uzima kao potencijal u takvoj tački polja za prelazak u koju od ∞ jedinica pozitivan naboj mora obaviti posao jednak jedan.

Dakle, u SI - jedinica potencijala 1V \u003d 1J / 1C, u CGSE 1 jedinični lonac. = 300V.

U fizici se često koristi jedinica za energiju i rad, nazvana eV - je rad terenskih snaga na naboju, jednak naboju elektron kada prođe kroz potencijalnu razliku 1B, odnosno:

1eV = 1,6 10−19 C V = 1,6 10−19 J

3.4. Odnos između napetosti i potencijala.

Dakle, elektrostatičko polje se može opisati bilo pomoću vektora

veličine E , ili uz pomoć skalarne veličine φ. Očigledno, mora postojati određeni odnos između ovih veličina. Hajde da ga pronađemo:

Opišimo kretanje naboja q po proizvoljnoj putanji.

Rad koji vrše sile elektrostatičkog polja na beskonačno malom segmentu dl može se naći na sljedeći način:

E l je projekcija E na d r l ; dl je proizvoljan smjer kretanja naboja.

S druge strane, kao što smo pokazali, ovaj rad, ako ga vrši elektrostatičko polje, jednak je smanjenju potencijalne energije naboja koji se kreće na udaljenosti dl.

Odatle dolazi dimenzija jačine polja V/m.

Za orijentaciju dl - (smjer kretanja) u prostoru potrebno je znati projekcije E na koordinatne ose:

gdje su i ,j ,k jedinični vektori osa.

Prema definiciji gradijenta, zbir prvih izvoda bilo koje funkcije u odnosu na koordinate je gradijent ove funkcije, odnosno:

gradφ = ∂ ∂ φ x r i + ∂ ∂ φ y r j + ∂ ∂ φ z k r

funkcije. Znak minus označava da je E usmjeren u smjeru smanjenja potencijala električnog polja.

3.5. Linije sila i ekvipotencijalne površine.

Kao što vi i ja već znamo, smjer linije sile (linije napetosti) u

svaka tačka se poklapa sa pravcem E. Iz toga slijedi da je napetost E

jednaka razlici potencijala po jedinici dužine linije polja.

Duž linije sile dolazi do maksimalne promjene potencijala.

Stoga je uvijek moguće odrediti E između dvije tačke mjerenjem U između njih, a što su tačke bliže, to je tačnije. U jednoličnom električnom polju, sila

linije su ravne. Stoga je ovdje definicija E najjednostavnija:

Prilikom kretanja duž ove površine za dl, potencijal se neće promijeniti: dφ = 0. Dakle, projekcija vektora E na dl jednaka je 0, odnosno E l = 0. Dakle

slijedi da je E u svakoj tački usmjerena duž normale na ekvipotencijalnu površinu.

Možete nacrtati onoliko ekvipotencijalnih površina koliko želite. By

gustina ekvipotencijalnih površina može se suditi na osnovu vrednosti E, to će biti pod uslovom da je razlika potencijala između dve susedne ekvipotencijalne površine jednaka konstantna vrijednost. Na jednom od laboratorijski rad simuliraćemo električno polje i pronaći ekvipotencijalne površine i linije sile od elektroda raznih oblika - vrlo jasno ćete vidjeti kako se mogu locirati ekvipotencijalne površine.

Formula E = - gradφ - izražava odnos između potencijala i intenziteta i omogućava vam da pronađete jačinu polja u svakoj tački iz poznatih vrijednosti φ. Možete odlučiti i

inverzni problem, tj. koristeći poznate vrijednosti E u svakoj tački polja, pronađite razliku φ između dvije proizvoljne tačke polja. Da bismo to učinili, koristimo činjenicu da se rad sila polja na naboju q prilikom njegovog pomjeranja iz tačke 1 u tačku 2 može izračunati kao:

2 r r

A12 = ∫ qE dl

S druge strane, rad se može predstaviti kao:

A 12= q (φ 1− φ 2)

one. došao do dobro poznate teoreme o kruženju vektora intenziteta.

Stoga je cirkulacija vektora jačine elektrostatičkog polja duž bilo koje zatvorene petlje jednaka nuli. Polje sile koje poseduje ovo

svojstvo se naziva potencijalom. Od nestajanja vektora cirkulacije E ,

slijedi da se linije E elektrostatičkog polja ne mogu zatvoriti: počinju na pozitivnim nabojima i dalje negativnih naboja završiti ili otići u beskonačnost.

U mehanici je međusobno djelovanje tijela jedno na drugo odlikuje se snagom ili potencijalna energija. Elektrostatičko polje koje vrši interakciju između naboja je također karakteriziraju dvije vrijednosti, Jačina polja je karakteristika snage. Sada da uvedemo energetsku karakteristiku - potencijal.

Potencijal polja. Rad bilo kojeg elektrostatičkog polja pri kretanju nabijenog tijela u njemu s jedne tačke na drugu također ne ovisi o obliku putanje, kao ni o radu homogeno polje. Na zatvorenoj putanji rad elektrostatičkog polja je uvijek nula. Polja sa ovim svojstvom nazivaju se potencijalna polja. Konkretno, elektrostatičko polje tačkastog naboja ima potencijalni karakter.

rad potencijalno polje može se izraziti kroz promenu potencijalne energije. Formula A=- (W P 1 - W P 2) važi za bilo koje elektrostatičko polje. I samo u slučaju homogenog polja, potencijalna energija se izražava formulom W p =qEd.

Potencijal. Potencijalna energija naelektrisanja u elektrostatičkom polju proporcionalna je naelektrisanju. Ovo važi i za homogeno polje i za bilo koje drugo. shodno tome, odnos potencijalne energije i naboja ne zavisi od naelektrisanja postavljenog u polje.

Ovo vam omogućava da unesete novu kvantitativnu karakteristiku polja - potencijal, nezavisno od naboja postavljenog u polje.

Potencijal elektrostatičkog polja je omjer potencijalne energije naboja u polju i ovog naboja.

Prema ovu definiciju potencijal je:

Jačina polja je vektor i predstavlja silu karakterističnu za polje; određuje silu koja djeluje na naboj q u ovom trenutku na terenu. Potencijal φ je skalar, ovo je energetska karakteristika polja; određuje potencijalnu energiju naboja q u ovom trenutku na terenu.

Ako uzmemo negativno nabijenu ploču kao nulti nivo potencijalne energije, a time i potencijala, tada je prema formulama W p =qEd i (1) potencijal uniformnog polja:

Potencijalna razlika. Kao i potencijalna energija, vrijednost potencijala u datoj tački ovisi o izboru nulte razine za referencu potencijala. Od praktičnog značaja nije sam potencijal u ovom trenutku, već potencijalna promjena,što ne zavisi od izbora referentni potencijal nulte razine.

Budući da je potencijalna energija W p = qφ, onda je posao:

razlika potencijala, odnosno razlika potencijalnih vrijednosti na početnoj i krajnjoj tački putanje.

Razlika potencijala se također naziva voltaža.

Prema formulama (2) i (3), razlika potencijala je jednaka:

(4)

Potencijalna razlika (napon) između dvije tačke jednaka je omjeru rada polja pri pomicanju naboja od početne do krajnje tačke na ovo naelektrisanje.

Poznavajući napon u rasvjetnoj mreži, znamo rad koji električno polje može obaviti pri pomicanju jediničnog naboja s jednog kontakta utičnice na drugi duž bilo kojeg električno kolo. Kroz fiziku ćemo se baviti konceptom razlike potencijala.

Jedinica razlike potencijala. Jedinica razlike potencijala postavlja se pomoću formule (4). AT međunarodni sistem jedinice rada izražene su u džulima, a naboj - u kulonima. Zbog toga razlika potencijala između dvije tačke jednaka je jednoj, ako pri pomicanju naboja na 1 cl od jedne do druge tačke električno polje radi u 1 J. Ova jedinica se zove volt (V); 1 V \u003d 1 J / 1 C.

Energetska karakteristika elektrostatičkog polja naziva se potencijal. Potencijal je jednak omjeru potencijalne energije naboja u polju i naboja. Razlika potencijala između dvije tačke jednaka je radu koji je izvršen da se pomjeri jedinični naboj.

Potencijal elektrostatičko polje - skalarna vrijednost jednaka omjeru potencijalne energije naboja u polju i ovog naboja:

Energetska karakteristika polja u datoj tački. Potencijal ne zavisi od veličine naelektrisanja postavljenog u ovo polje.

Jer Ako potencijalna energija zavisi od izbora koordinatnog sistema, tada se potencijal određuje do konstante.

Posljedica principa superpozicije polja (potencijali se zbrajaju algebarski).

Potencijal je numerički jednak radu polja pri pomicanju jediničnog pozitivnog naboja iz date tačke električnog polja u beskonačnost.

U SI, potencijal se mjeri u voltima:

Razlika potencijala

voltaža - razlika između vrijednosti potencijala na početnoj i krajnjoj tački putanje.

voltaža numerički jednak radu elektrostatičkog polja pri kretanju jediničnog pozitivnog naboja duž linija sile ovog polja.

Razlika potencijala (napon) ne zavisi od izbora

koordinatni sistemi!

Jedinica razlike potencijala

intenzitet je jednak gradijentu potencijala (brzina promjene potencijala duž pravca d).

Ovaj omjer pokazuje:

1. Vektor napetosti usmjeren je prema opadajućem potencijalu.

2. Električno polje postoji ako postoji razlika potencijala.

3. Zatezna jedinica: - Jačina polja je

Fluks vektora magnetske indukcije. Gaussova teorema za magnetsko polje.

Tok vektora magnetske indukcije (magnetski fluks) kroz pad se poziva dS skalar fizička veličina jednaka

Vektorski fluks magnetne indukcije F in kroz proizvoljnu površinu S je jednako

Gaussova teorema za polje B: tok vektora magnetske indukcije kroz bilo koju zatvorenu površinu je nula:

ukupni magnetni tok spojen na sve zavoje solenoida i tzv veza toka,

Provodnici u elektrostatičkom polju. Električni kapacitet usamljenog provodnika.

Ako stavite provodnik u vanjsko elektrostatičko polje ili ga napunite, tada će naelektrisanje vodiča biti pod utjecajem elektrostatičkog polja, uslijed čega će se početi kretati. Kretanje naelektrisanja (struja) se nastavlja sve dok se ne uspostavi ravnotežna distribucija naelektrisanja, pri kojoj elektrostatičko polje unutar provodnika nestaje. To se dešava u vrlo kratkom vremenu. Zaista, da polje nije jednako nuli, tada bi u provodniku nastalo uređeno kretanje naelektrisanja bez trošenja energije iz vanjskog izvora, što je u suprotnosti sa zakonom održanja energije. Dakle, jačina polja u svim tačkama unutar provodnika je nula:

Gaussian

vrijednost

naziva se električni kapacitet (ili jednostavno kapacitivnost) usamljenog vodiča. Kapacitet usamljenog provodnika je određen naelektrisanjem, čija poruka provodniku menja svoj potencijal za jedan.

Kapacitet provodnika zavisi od njegove veličine i oblika, ali ne zavisi od materijala, stanja agregacije, oblika i veličine šupljina unutar provodnika. To je zbog činjenice da se višak naboja distribuira na vanjskoj površini vodiča. Kapacitet takođe ne zavisi od naelektrisanja provodnika, niti od njegovog potencijala. Prethodno navedeno nije u suprotnosti sa formulom, jer samo pokazuje da je kapacitet usamljenog provodnika direktno proporcionalan njegovom naelektrisanju i obrnuto proporcionalan potencijalu.

Jedinica električnog kapaciteta - farad(F): 1F