Diferencë potenciale.
Tensioni Elektrik. Rryma e Tensionit.

Tema- Tensioni elektrik. Diferencë potenciale. tensionit.

Një nga shprehjet më të përdorura në mesin e elektricistëve është tensioni elektrik. Në shkencë, zakonisht quhet - ndryshimi i mundshëm, dhe gjithashtu njerëzit injorantë thonë - tension. Kuptimi i përgjithshëm i këtyre emrave është, në parim, i njëjtë. Dhe çfarë do të thotë ky koncept? Këtu është një formulim i zakonshëm i librit: Tensioni elektrik është raporti i punës fushe elektrike tarifat kur transferoni një tarifë testimi nga pika "1" në pikën "2". Epo, nëse thua në terma të thjeshtë, do të jetë kështu:

Para së gjithash, ia vlen të kujtojmë këtë ngarkesat elektrike Ekzistojnë 2 lloje - pozitive "+" dhe negative "-". Ata kanë një veti të thjeshtë dhe të dobishme, zmbrapsje dhe tërheqje ndaj njëri-tjetrit, në varësi të ngjashmërisë dhe diversitetit të specieve të tyre. Kjo do të thotë, nëse filloni të afroni disa pluse ose vetëm minuse më afër njëri-tjetrit, atëherë ato do të zmbrapsin reciprokisht njëri-tjetrin. Nëse afroni plus dhe minus, atëherë ata do të përpiqen të tërheqin njëri-tjetrin. Për më tepër, forca e tërheqjes dhe zmbrapsjes së ndërsjellë do të varet drejtpërdrejt nga numri i vetë ngarkesave. E thënë thjesht, sa më shumë "plus" në një vend dhe "minus" në një tjetër, aq më shumë do të tërhiqen nga njëri-tjetri. Ose anasjelltas, zmbraps të njëjtën pagesë(+ dhe + ose - dhe -).

Tani le të imagjinojmë se kemi 2 topa hekuri. Secila prej tyre përmban një numër të madh grimcash elementare brenda, të cilat ndodhen në një distancë të caktuar nga njëra-tjetra dhe janë të paaftë për lëvizje të lirë. Këto janë bërthamat e atomeve të materies. Grimcat më të vogla, elektronet, rrotullohen rreth këtyre grimcave me shpejtësi të madhe. Ata janë në gjendje të shkëputen nga disa atome dhe të kalojnë te të tjerët. Nëse numri i përgjithshëm i elektroneve është i barabartë me numrin e protoneve në bërthamë, topat janë neutralë.

Nëse hiqni një numër të caktuar elektronesh nga një top hekuri, atëherë ai do të pushojë së qeni neutral. Ai do të kërkojë të tërheqë numrin e munguar të elektroneve në vetvete, si rezultat i të cilit do të formojë një fushë rreth vetes me shenjën "+". Sa më shumë elektrone të mungojnë, aq më e fortë është fusha. Le të bëjmë një tepricë të elektroneve në topin tjetër. Si rezultat, formohet një fushë elektrike, por me një shenjë "-".

Pra, ne kemi krijuar 2 potenciale të kundërta, njëra prej të cilave kërkon të marrë elektrone dhe e dyta do t'i heqë qafe. Në një top hekuri, ku ka një tepricë të elektroneve, ka ngushtësi dhe grimcat rreth të cilave ka një fushë shtyjnë njëra-tjetrën jashtë. Dhe në atë top, ku ka mungesë elektronesh, ndodh diçka si një vakum, i cili tenton të thithë elektronet në vetvete. Kjo formon një ndryshim potencial ose tension elektrik. Por, sapo t'i lidhim këto topa, menjëherë do të bëhet shkëmbimi i ndërsjellë, dhe tensioni elektrik do të zhduket për shkak të kompensimit. E thënë thjesht, diferenca potenciale ose tensioni elektrik është tendenca e grimcave të ngarkuara të vendosura midis dy pikave për të tërhequr ose lëvizur nga vendet më të ngarkuara në ato më pak të ngarkuara.

Le të themi se kemi tela të lidhur me një bateri elektrike konvencionale. Brenda ndodh reaksion kimik, i cili shtyn elektronet nga ana pozitive e baterisë në anën negative. Elektronet e tepërta në rajonin negativ shkojnë në terminalin negativ të baterisë. Elektronet priren të kthehen në vendin nga i cili janë hedhur. Bërja e kësaj brenda vetë baterisë nuk funksionon. Mbetet të presim që ata të vendosin një urë në formën e një përcjellësi metalik përçues, përmes të cilit ata do të shkojnë në terminalin pozitiv të baterisë.

Unë do të doja të sjell disa qartësi - njerëzit që nuk e njohin vërtet një elektricist shpesh thonë tension, i cili nuk është plotësisht i saktë. Është më e saktë të thuhet, megjithatë, ndryshimi i potencialit ose tensioni elektrik.

Forca me të cilën sistemi i ngarkesave vepron në një ngarkesë që nuk përfshihet në sistem është e barabartë me shuma vektoriale forcat me të cilat secila nga ngarkesat e sistemit vepron veçmas mbi ngarkesën (parimi i mbivendosjes).

A = ∑Ai

Këtu, çdo term nuk varet nga forma e shtegut dhe, për rrjedhojë, nuk varet nga forma e shtegut dhe shuma.

Pra, fusha elektrostatike është potenciale.

Puna e forcave fushë elektrostatike mund të shprehet në terma të humbjes

Energjia potenciale përcaktohet deri në konstantën e integrimit. Vlera e konstantës në shprehjen E tenxhere. zgjidhen në atë mënyrë që kur ngarkesa hiqet në pafundësi (d.m.th., në r \u003d ∞), energjia potenciale të kthehet

3.3. Potenciali. Diferencë potenciale.

Akuza të ndryshme provash q",q"",... do të kenë energji të ndryshme në të njëjtën pikë të fushës E n ", E n "" e kështu me radhë. Megjithatë, raporti E n/q "pr. do të jetë i njëjtë për të gjitha tarifat. Prandaj, ne prezantuam një vlerë skalare, e cila është

Nga kjo shprehje rezulton se potenciali është numerikisht i barabartë me energjinë potenciale që ka një ngarkesë pozitive njësi në një pikë të caktuar të fushës.

Duke zëvendësuar në (3.3.1.) vlerën e energjisë potenciale (3.2.3), marrim për

Potenciali, si energjia potenciale, përcaktohet deri në një konstante integrimi. Ne ramë dakord të konsiderojmë se potenciali i një pike të largët në pafundësi është i barabartë me zero. Prandaj, kur thonë "potenciali i kësaj pike", nënkuptojnë ndryshimin potencial midis kësaj pike dhe një pike të largët deri në pafundësi. Përkufizime të tjera të potencialit:

φ = A q ∞ ose A∞ = qφ,

ato. potencial numerikisht është e barabartë me punë, e cila kryhet nga forcat e fushës mbi një ngarkesë pozitive njësi kur ajo hiqet nga një pikë e caktuar në pafundësi

dA = F l dl = E l qdl

(përkundrazi - e njëjta punë duhet bërë për të lëvizur një ngarkesë pozitive njësi nga pafundësia në një pikë të caktuar në fushë.

Nëse fusha krijohet nga një sistem ngarkesash, atëherë, duke përdorur parimin e mbivendosjes, marrim:

ato. potenciali i fushës i krijuar nga sistemi i ngarkesave është i barabartë me shumën algjebrike të potencialeve të krijuara nga secila prej ngarkesave veç e veç. Por tensionet, siç e mbani mend, shtohen kur fushat mbivendosen - vektor.

Le t'i kthehemi punës së forcave të fushës elektrostatike mbi ngarkesën q ". Të shprehim punën.

ku U është diferenca potenciale ose quhet edhe tension. Nga rruga, një analogji e mirë:

A12 = mgh1 − mgh2 = m(gh1 − gh2)

gh - ka kuptimin e potencialit të fushës gravitacionale, dhe m - ngarkesën.

Pra, potenciali është një sasi skalare, prandaj përdorni dhe llogarisni φ

më e lehtë se E. Pajisjet për matjen e diferencës potenciale janë të përhapura. Formula A ∞ =qφ mund të përdoret për të vendosur njësitë e potencialit: njësia φ merret si potencial në një pikë të tillë të fushës, për lëvizjen në të cilën nga ∞ njësi ngarkesë pozitive duhet të bëjë punë të barabartë me një.

Pra, në SI - një njësi e potencialit 1V \u003d 1J / 1C, në CGSE 1 tenxhere njësi. = 300 V.

Në fizikë, shpesh përdoret një njësi e energjisë dhe punës, e quajtur eV - është puna e bërë nga forcat në terren në ngarkim, e barabartë me ngarkesën elektroni kur kalon nëpër një ndryshim potencial 1B, që është:

1eV = 1,6 10−19 C V = 1,6 10−19 J

3.4. Marrëdhënia midis tensionit dhe potencialit.

Pra, fusha elektrostatike mund të përshkruhet ose duke përdorur vektorin

sasitë E , ose me ndihmën e një sasie skalare φ. Natyrisht, duhet të ketë një lidhje të caktuar midis këtyre sasive. Le ta gjejmë:

Le të përshkruajmë lëvizjen e ngarkesës q përgjatë një shteg arbitrar.

Puna e bërë nga forcat e fushës elektrostatike në një segment pafundësisht të vogël dl mund të gjendet si më poshtë:

E l është projeksioni i E mbi d r l ;dl është një drejtim arbitrar i lëvizjes së ngarkesës.

Nga ana tjetër, siç treguam, kjo punë, nëse kryhet nga një fushë elektrostatike, është e barabartë me uljen e energjisë potenciale të një ngarkese të lëvizur në një distancë dl.

Nga këtu vjen dimensioni i fuqisë së fushës V/m.

Për orientimin dl - (drejtimi i lëvizjes) në hapësirë, duhet të dini projeksionet e E në akset koordinative:

ku i ,j ,k janë vektorët njësi të boshteve.

Sipas përkufizimit të gradientit, shuma e derivateve të parë të çdo funksioni në lidhje me koordinatat është gradienti i këtij funksioni, domethënë:

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

funksione. Shenja minus tregon se E drejtohet në drejtim të zvogëlimit të potencialit të fushës elektrike.

3.5. Linjat e forcës dhe sipërfaqet ekuipotenciale.

Siç e dimë tashmë ju dhe unë, drejtimi i linjës së forcës (vija e tensionit) brenda

çdo pikë përkon me drejtimin e E. Nga kjo rrjedh se tensioni E

e barabartë me diferencën potenciale për njësi gjatësi të vijës së fushës.

Është përgjatë vijës së forcës që ndodh ndryshimi maksimal në potencial.

Prandaj, është gjithmonë e mundur të përcaktohet E midis dy pikave duke matur U midis tyre dhe sa më afër të jenë pikat, aq më të sakta. Në një fushë elektrike uniforme, forca

vijat janë të drejta. Prandaj, këtu përkufizimi i E është më i thjeshtë:

Kur lëvizni përgjatë kësaj sipërfaqeje me dl, potenciali nuk do të ndryshojë: dφ = 0. Prandaj, projeksioni i vektorit E mbi dl është i barabartë me 0, domethënë E l = 0. Prandaj

rrjedh se E në çdo pikë drejtuar përgjatë normales në sipërfaqen ekuipotenciale.

Mund të vizatoni sa më shumë sipërfaqe ekuipotenciale që dëshironi. Nga

dendësia e sipërfaqeve ekuipotenciale mund të gjykohet në vlerën e E, kjo do të sigurohet që diferenca potenciale ndërmjet dy sipërfaqeve ekuipotenciale ngjitur të jetë e barabartë me vlerë konstante. Në një nga punë laboratorike do të simulojmë fushën elektrike dhe do të gjejmë sipërfaqet ekuipotenciale dhe linjat e forcës nga elektroda të formave të ndryshme - shumë qartë do të shihni se si mund të vendosen sipërfaqet ekuipotenciale.

Formula E = - gradφ - shpreh marrëdhënien midis potencialit dhe intensitetit dhe ju lejon të gjeni forcën e fushës në çdo pikë nga vlerat e njohura të φ. Ju mund të vendosni dhe

problem i anasjelltë, d.m.th. duke përdorur vlerat e njohura të E në secilën pikë të fushës, gjeni ndryshimin φ midis dy pikave arbitrare të fushës. Për ta bërë këtë, ne përdorim faktin që puna e bërë nga forcat e fushës mbi ngarkesën q kur e lëviz atë nga pika 1 në pikën 2 mund të llogaritet si:

2 r r

A12 = ∫ qE dl

Nga ana tjetër, puna mund të përfaqësohet si:

A 12= q (φ 1− φ 2)

ato. erdhi te teorema e njohur mbi qarkullimin e vektorit të intensitetit.

Prandaj, qarkullimi i vektorit të forcës së fushës elektrostatike përgjatë çdo laku të mbyllur është i barabartë me zero. Fusha e forcës që e posedon këtë

prona quhet potencial. Nga zhdukja e vektorit të qarkullimit E ,

rrjedh se vijat E të fushës elektrostatike nuk mund të mbyllen: ato fillojnë me ngarkesa pozitive dhe në ngarkesa negative mbarojnë ose shkojnë në pafundësi.

Në mekanikë, veprimi i ndërsjellë i trupave mbi njëri-tjetrin karakterizohet nga forca ose energji potenciale. Fusha elektrostatike që kryen bashkëveprimin ndërmjet ngarkesave është gjithashtu karakterizohet nga dy vlera, Forca e fushës është një karakteristikë e fuqisë. Tani le të prezantojmë karakteristikën e energjisë - potencialin.

Potenciali në terren. Puna e çdo fushe elektrostatike kur lëviz një trup të ngarkuar në të nga një pikë në tjetrën gjithashtu nuk varet nga forma e trajektores, si dhe nga puna fushë homogjene. Në një trajektore të mbyllur, puna e fushës elektrostatike është gjithmonë zero. Fushat me këtë veti quhen fusha potenciale. Në veçanti, fusha elektrostatike e një ngarkese pika ka një karakter potencial.

puna fushë potenciale mund të shprehet me ndryshimin e energjisë potenciale. Formula A=- (W P 1 - W P 2) e vlefshme për çdo fushë elektrostatike. Dhe vetëm në rastin e një fushe homogjene, energjia potenciale shprehet me formulën W p =qEd.

Potenciali. Energjia potenciale e një ngarkese në një fushë elektrostatike është proporcionale me ngarkesën. Kjo është e vërtetë si për një fushë homogjene dhe për çdo fushë tjetër. Rrjedhimisht, raporti i energjisë potenciale ndaj ngarkesës nuk varet nga ngarkesa e vendosur në fushë.

Kjo ju lejon të futni një karakteristikë të re sasiore të fushës - potencial, pavarësisht nga ngarkesa e vendosur në fushë.

Potenciali i një fushe elektrostatike është raporti i energjisë potenciale të një ngarkese në fushë me këtë ngarkesë.

Sipas këtë përkufizim potenciali është:

Forca e fushës është vektor dhe paraqet forcën karakteristike të fushës; përcakton forcën që vepron në ngarkesë q në këtë pikë në terren. Potenciali φ është skalar, kjo është karakteristikë energjetike e fushës; ai përcakton energjinë potenciale të ngarkesës q në këtë pikë në terren.

Nëse marrim një pllakë të ngarkuar negativisht si nivel zero të energjisë potenciale, dhe rrjedhimisht potencialin, atëherë sipas formulave W p =qEd dhe (1), potenciali i një fushe uniforme është:

Diferencë potenciale. Ashtu si energjia potenciale, vlera e potencialit në një pikë të caktuar varet nga zgjedhja e nivelit zero për referencën e potencialit. Me rëndësi praktike nuk është vetë potenciali në këtë pikë, por ndryshim i mundshëm, e cila nuk varet nga zgjedhja Potenciali referencë i nivelit zero.

Që nga energjia potenciale W p = qφ, atëherë puna është:

diferenca potenciale, d.m.th., ndryshimi në vlerat e mundshme në pikat fillestare dhe fundore të trajektores.

Diferenca e mundshme quhet gjithashtu tensionit.

Sipas formulave (2) dhe (3), diferenca potenciale është e barabartë me:

(4)

Diferenca (tensioni) potencial ndërmjet dy pikave është e barabartë me raportin e punës së fushës kur lëvizni ngarkesën nga pika fillestare në atë përfundimtare me këtë ngarkesë.

Duke ditur tensionin në rrjetin e ndriçimit, ne e dimë kështu punën që mund të bëjë fusha elektrike kur lëviz një ngarkesë njësi nga një kontakt prizë në tjetrën përgjatë çdo qark elektrik. Ne do të merremi me konceptin e ndryshimit potencial gjatë gjithë kursit të fizikës.

Njësia e diferencës potenciale. Njësia e diferencës potenciale vendoset duke përdorur formulën (4). AT sistemit ndërkombëtar njësitë e punës shprehen në xhaul, dhe ngarkesa - në kulonë. Kjo është arsyeja pse diferenca potenciale midis dy pikave është e barabartë me një, nëse kur lëvizni një ngarkesë në 1 Cl nga një pikë në tjetrën fusha elektrike funksionon në 1 J. Kjo njësi quhet volt (V); 1 V \u003d 1 J / 1 C.

Karakteristika e energjisë e një fushe elektrostatike quhet potencial. Potenciali është i barabartë me raportin e energjisë potenciale të ngarkesës në fushë me ngarkesën. Diferenca e mundshme midis dy pikave është e barabartë me punën e bërë për të lëvizur një ngarkesë njësi.

Potenciali fushë elektrostatike - një vlerë skalare e barabartë me raportin e energjisë potenciale të ngarkesës në fushë me këtë ngarkesë:

Karakteristikë energjetike e fushës në një pikë të caktuar. Potenciali nuk varet nga madhësia e ngarkesës së vendosur në këtë fushë.

Sepse Nëse energjia potenciale varet nga zgjedhja e sistemit të koordinatave, atëherë potenciali përcaktohet deri në një konstante.

Si pasojë e parimit të mbivendosjes së fushave (potencialet shtohen në mënyrë algjebrike).

Potenciali është numerikisht i barabartë me punën e fushës në lëvizjen e një ngarkese pozitive njësi nga një pikë e caktuar e fushës elektrike në pafundësi.

Në SI, potenciali matet në volt:

Diferencë potenciale

Tensioni - ndryshimi midis vlerave të potencialit në pikat fillestare dhe përfundimtare të trajektores.

Tensioni numerikisht e barabartë me punën e fushës elektrostatike kur lëviz një ngarkesë pozitive njësi përgjatë vijave të forcës së kësaj fushe.

Dallimi i mundshëm (tensioni) nuk varet nga zgjedhja

sistemet e koordinatave!

Njësia e diferencës potenciale

intensiteti është i barabartë me gradientin potencial (shkalla e ndryshimit të potencialit përgjatë drejtimit d).

Ky raport tregon:

1. Vektori i tensionit është i drejtuar drejt uljes së potencialit.

2. Një fushë elektrike ekziston nëse ka një ndryshim potencial.

3. Njësia e tensionit: - Forca e fushës është

Fluksi i vektorit të induksionit magnetik. Teorema e Gausit për një fushë magnetike.

Fluksi i vektorit të induksionit magnetik (fluksi magnetik) përmes jastëkut dS quhet skalar sasi fizike e barabartë me

Fluksi i vektorit të induksionit magnetik F në nëpër një sipërfaqe arbitrare S është e barabartë me

Teorema e Gausit për fushën B: fluksi i vektorit të induksionit magnetik nëpër çdo sipërfaqe të mbyllur është zero:

fluksi total magnetik i bashkuar me të gjitha kthesat e solenoidit dhe i thirrur lidhja e fluksit,

Përçuesit në një fushë elektrostatike. Kapaciteti elektrik i një përcjellësi të vetmuar.

Nëse vendosni një përcjellës në një fushë elektrostatike të jashtme ose e ngarkoni atë, atëherë ngarkesat e përcjellësit do të ndikohen nga një fushë elektrostatike, si rezultat i së cilës ato do të fillojnë të lëvizin. Lëvizja e ngarkesave (rryma) vazhdon derisa të vendoset një shpërndarje ekuilibër e ngarkesave, në të cilën fusha elektrostatike brenda përcjellësit zhduket. Kjo ndodh brenda një kohe shumë të shkurtër. Në të vërtetë, nëse fusha nuk do të ishte e barabartë me zero, atëherë një lëvizje e urdhëruar e ngarkesave do të lindte në përcjellës pa shpenzimin e energjisë nga një burim i jashtëm, gjë që bie ndesh me ligjin e ruajtjes së energjisë. Pra, forca e fushës në të gjitha pikat brenda përcjellësit është zero:

Gausian

vlera

quhet kapaciteti elektrik (ose thjesht kapaciteti) i një përcjellësi të vetmuar. Kapaciteti i një përcjellësi të vetëm përcaktohet nga ngarkesa, mesazhi i së cilës për përcjellësin e ndryshon potencialin e tij me një.

Kapaciteti i përcjellësit varet nga madhësia dhe forma e tij, por nuk varet nga materiali, gjendja e grumbullimit, forma dhe madhësia e zgavrave brenda përcjellësit. Kjo për faktin se ngarkesat e tepërta shpërndahen në sipërfaqen e jashtme të përcjellësit. Kapaciteti gjithashtu nuk varet nga ngarkesa e përcjellësit, as nga potenciali i tij. Sa më sipër nuk bie ndesh me formulën, pasi tregon vetëm se kapaciteti i një përcjellësi të vetëm është drejtpërdrejt proporcional me ngarkesën e tij dhe në përpjesëtim të zhdrejtë me potencialin.

Njësia e kapacitetit elektrik - farad(F): 1F