Elektriskais potenciāls — jēdziens, spriegums, mērvienības un piemēri

Uzzini, kas ir elektriskais potenciāls — definīcija, spriegums, voltu mērvienība un skaidri piemēri ar aprēķiniem, lai saprastu potenciālu praksē.

Elektriskais potenciāls ir elektriskās potenciālās enerģijas (EPE) daļa uz lādiņa vienību — tātad EPE uz vienu kulonu. Šeit saglabātas saites uz skaidrojumiem par saistītajām lielībām: elektriskā potenciālā enerģija, enerģijas mērvienība mērvienība ir džouls un lādiņa mērvienība kulons. Elektriskā potenciāla vienība — voltu — nosaukta par godu Alessandro Voltas. Viens volts (1 V) ir vienāds ar vienu džoulu uz vienu kulonu (1 J/C).

Definīcija un pamatformulas

Elektrisko potenciālu parasti apzīmē ar V vai φ. Tas definējas kā attiecība starp elektrisko potenciālo enerģiju U (EPE) un lādiņu q:

V = U / q

No tā seko, ka, pārvietojot lādiņu q pāri potenciālu starpībai ΔV, lādiņa potenciālā enerģija mainās par q·ΔV:

ΔU = q · ΔV

Svarīga saikne ar elektrisko lauku E ir dotāda ar līniju integrālu:

ΔV = - ∫ E · dl

t.i., elektriskā lauka vektors ir saistīts ar potenciāla gradientu: E = -∇V. Potenciāls ir skalāra lauka lielība.

Analģija ar gravitāciju

Laba intuīcija rodas, salīdzinot ar gravitācijas potenciālu: ūdens dīķī ir gravitācijas potenciālā enerģija, kas atkarīga no augstuma. Ja vienā dīķī ir 100 litri ūdens un kopējā potenciālā enerģija 1000 džoulu, tad uz litru ir 10 J — līdzīgi elektrībā var būt, piemēram, 100 kulonu lādiņš ar kopējo elektrisko potenciālo enerģiju 1000 J, tātad potenciāls ir 10 J/C (10 V). Citā vietā, kur potenciāla enerģija ir 500 J uz 100 C, potenciāls ir 5 J/C (5 V). Ja lādiņš 20 C pārvietojas no vietas ar potenciālu 10 V uz vietu ar 5 V, tā potenciālā enerģija samazinās no 20·10 = 200 J līdz 20·5 = 100 J — atbrīvotie 100 J var tikt pārvērsti citā enerģijas formā (piem., strāvā, siltumā).

Potenciāls vs. potenciālā enerģija un spriegums

Iespējams, rodas neskaidrība starp terminiem. Jāuzsver:

• Elektriskā potenciālā enerģija (EPE) ir kopējā enerģija, ko lādiņš satur.
• Elektriskais potenciāls (V vai φ) ir EPE uz vienu lādiņa vienību: V = U/q.
• Elektriskā potenciālu starpība jeb spriegums ir potenciālu atšķirība starp divām vietām: ΔV = V2 − V1. Spriegumu mēra voltos.

Tātad volts ir mērvienība, bet potenciāls un spriegums ir fizikālās lielības, kuras šo mērvienību izmanto. Tekstos potenciālu apzīmē ar V vai φ, potenciālu atšķirību bieži apzīmē kā ΔV vai U (dažreiz īpašos kontekstos). Elektrotehniķu praksē var izmantot arī simbolu e vai E, runājot par elektromotorisko spēku (emf).

Matemātiski piemēri un izteiksmes

Potenciāls punktā, ko rada punktlādējs q0 attālumā r, vakuumā ir:

V(r) = (1 / (4πε0)) · q0 / r = k · q0 / r

kur ε0 ir vakuuma permitivitāte un k ≈ 8.988×10^9 N·m²/C². No šīs formulas redzams, ka potenciāls samazinās ar attālumu no lādiņa.

Darbs, kas veicams, pārvietojot lādiņu q no punkta A uz B bez zaudējumiem ārēju spēku dēļ, ir q·ΔV. Ja lādiņš ir pozitīvs, pārvietošana uz augstāku potenciālu palielina EPE; ja lādiņš ir negatīvs, pārvietošana uz augstāku potenciālu samazina EPE.

Praktiskas piezīmes un aplikācijas

• Potenciāla nulle (atsauce) var tikt izvēlēta pēc vajadzības: bieži izmanto «zemes» potenciālu (0 V) vai bezgalību kā atsauci, atkarībā no problēmas.
• Equipotenciālās virsmas — virsmas, kurās potenciāls ir vienāds — nozīmē, ka pārvietojot lādiņu pa šādu virsmu netiek izdarīts darbs.
• Ikdienas piemēri: AA baterija ≈ 1.5 V, automašīnas akumulators ≈ 12 V, sadzīves tīkla spriegums daudzviet ≈ 230 V (atkarīgs no valsts). Drošības aspektā svarīgs ir potenciālu starpība, nevis absolūtais potenciāls.
• Sarežģītākos ķēdēs potenciāls sniedz informāciju par to, kā strāva plūst un kur enerģija tiek piegādāta vai patērēta (piem., rezistoros, kondensatoros).

Biežākās kļūdas un skaidrojumi

Dažkārt cilvēki sajauc potenciālu ar spriegumu vai mērvienību voltus ar pašu fizisko lielumu. Atgādinām:

• Volt (V) — mērvienība, ar kuru mēra potenciālu vai spriegumu.
• Elektriskais potenciāls — fiziska lielība (mēra voltos).
• Spriegums — potenciālu starpība starp diviem punktiem (mēra voltos).

Ja nepieciešama dziļāka matemātiska iztirzāšana — piemēram, potenciāla aprēķins vairāklādētā sistēmā, kondensatoru teorija vai saikne ar elektromagnētiku — iespējams turpināt ar konkrētiem piemēriem un uzdevumiem.

Oriģinālajā tekstā saglabāta saite uz jēdzieniem un definīcijām: elektrisko potenciālu starpība, kā arī papildus saites uz volts, spriegums, mērvienība un simbols, ja vēlaties pārbaudīt terminoloģiju vai konvencijas.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir elektriskais potenciāls?

J: Kādas ir elektriskās potenciālās enerģijas un lādiņa vienības?

J: Kā elektriskais potenciāls liecina par uzlādētu objektu?

J: Kā sauc elektriskā potenciāla mērvienību?

J: Cik daudz ir viens volts?

J: Kas bija Alessandro Volta?

Meklēt pēc burta