Что такое потенциал в физике

Потенциал – что такое?

что такое потенциал в физике

> Теория > Потенциал – что такое?

  • 1 Разность потенциалов
  • 2 Потенциометры
  • 3

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

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:

U=A/q,

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

Проведя преобразование, получим:

А=Uq.

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.

Потенциометрическое включение

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.

Источник: https://elquanta.ru/teoriya/potencial-chto-takoe.html

Тест. Потенциал электростатического поля. Разность потенциалов

что такое потенциал в физике
Будьте внимательны! У Вас есть 10 минут на прохождение теста. Система оценивания — 5 балльная. Разбалловка теста — 3,4,5 баллов, в зависимости от сложности вопроса. Порядок заданий и вариантов ответов в тесте случайный. С допущенными ошибками и верными ответами можно будет ознакомиться после прохождения теста. Удачи!

От чего, в общем случае, зависит работа сил электрического поля?

Варианты ответов

  • начального положения заряда
  • конечного положения заряда
  • вида траектории
  • модуля перемещаемого заряда

От чего зависит работа сил электростатического поля?

Что такое потенциал в электричестве

что такое потенциал в физике

В физике часто используется понятие потенциалов. Каждый, кто работает с электроникой или домашними электрическими сетями, должен представлять себе, потенциал что такое, как проводится его измерение, и какое влияние он оказывает на окружающие тела.

Понятие потенциала в физике

Что такое потенциал в физике? Это понятие очень часто применяется для описания качеств сил и полей самой разной природы. Скалярная функция, характеризующая некоторую величину, представляющуюся вектором, – вот что это потенциал. Гравитационный потенциал описывает соответствующее поле. В термодинамике это понятие применяется для системной внутренней энергии, в механике – для той или иной приложенной к предмету силы.

Электрика, прежде всего, интересует, что такое потенциал в электричестве. Из общего определения нетрудно вывести, что характеристика электрополя – это электрический потенциал. В своей статической форме электрический потенциал показывает потенциальную энергию одиночного «плюсового» заряда, помещаемого в данное место электрополя, и является одной из разновидностей электромагнитного потенциала. Вторая его форма – векторная (в отличие от скалярной), описывает магнитное поле.

Важно! Характеристика поля, описывающая зависимость работы при передвижении исключительно от исходной точки и места назначения, – это потенциальность поля. Траектория перемещения в этом случае на работу не влияет.

Разность потенциалов (напряжение)

Напряжение является одним из важнейших терминов в электрике, оно описывается как работа, совершаемая электрополем с целью перемещения некоторого заряда из одной точки в другую. По аналогии с гравитацией, заряд при помещении в зону действия поля обладает потенциалом, который можно сравнить с соответствующим видом энергии у тела. Величина электрического потенциала прямо пропорциональна степени полевой напряженности и величине самого заряда.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  0 4 кв это сколько

Что такое фаза в электричестве

Встает вопрос: потенциал в чем измеряется? Правильнее будет сказать, в чем обычно измеряется разность потенциалов, так как работники электротехники имеют дело именно с этой величиной в форме напряжения. Для самого потенциала специальной измерительной единицы не существует. В СИ принято измерять разность в вольтах (В). Она равна одному вольту в том случае, если для транспортировки заряда в один кулон из одной точки электрополя в другую потребуется совершить работу в один джоуль.

Важно! Измерить напряжение можно с помощью специального устройства – вольтметра.

Стрелочная разновидность прибора, использующаяся на школьных уроках физики, оснащена градуированной шкалой, базирующейся на угле отклонения проволочной рамки, по которой проходит электроток.

Помимо него, существуют и приборы с цифровым дисплеем, а также мультиметры, способные работать в нескольких режимах и измеряющие разные величины, описывающие электроцепь. Для измерения важно правильно подключить щупы.

Измерить напряжение поможет вольтметр

Примеры формул для вычисления напряжения

Электрическое поле — что это такое, понятие в физике

Измерить напряжение можно, воспользовавшись такой формулой:

U=A/q (U, A и q – величина напряжения, переносящая работа электрополя и заряд, соответственно).

Выразив работу (A=q*U), можно понять, что, чем больше напряженность, тем большую работу потребуется совершить электрополю, чтобы перенести Q. Такие преобразования помогают усвоить, почему важно, чтобы источник питания был мощным. Чем больше потенциальная разница между его клеммами, тем больший объем работы он способен обеспечивать.

Чтобы определить напряжение на участке электрической цепи, используется следующее выражение:

U=I*R.

Здесь I – сила протекающего по проводнику электротока, R – сопротивление фрагмента цепи. Для последовательно и параллельно соединенных проводниковых элементов также существуют свои законы, согласно которым рассчитываются напряжение, токовая сила и сопротивление для каждой из веток.

Для чего нужен потенциометр электрику

Что такое измерение сопротивления изоляции и почему это важно

Данный прибор широко применяется в практике для модуляции напряжения.

Дело в том, что у многих источников (особенно заточенных под автономное функционирование: аккумуляторные элементы, солнечные батареи и т.д.) константное напряжение, не поддающееся управлению без специальных устройств, что может вызвать проблемы.

Чтобы уменьшить исходное напряжение такого элемента, используют устройства-делители, снабженные потенциометрами.

Как работает потенциометр? Он представляет собой резистор, имеющий пару выводов и подвижный ползунок с еще одним выводом. Подключаться такое переменное устройство сопротивления может двумя способами:

  1. По типу реостата, с использованием ползункового вывода и одного из пары других. Сопротивление замеряется движением ползунка по корпусу резистора. Регуляция цепного электротока в таком случае возможна при последовательном подключении такого реостата и источника напряжения.
  2. Потенциометрическим методом, задействующим каждый вывод из имеющейся у прибора тройки. Два главных вывода включаются параллельно источнику, снятие сниженного напряжения реализуется с ползункового механизма и одного вывода. В этом случае через резисторное устройство течет электроток, создающий спад напряжения между ползунком и боковыми выводами. В такой модели на источник питания ложится большая нагрузка, так как для точности регуляции и отсутствия сбоев необходимо, чтобы резисторное сопротивление в несколько раз уступало нагрузочному.

Потенциометрическое подключение прибора

Таким образом, понятие потенциала используется в разных областях физики: как в механике, так и в изучении электричества. В последнем случае оно выступает в качестве характеристики поля. Непосредственно рассматриваемая величина измерению не поддается, зато можно измерить разность, тогда один заряд берется за точку отсчета.

Источник: https://amperof.ru/teoriya/potencial-v-elektrichestve.html

Измерение потенциала проводника

Как мы уже отмечали ранее, поле внутри проводника имеет нулевую напряженность. Следовательно, он является эквипотенциальным по всему объему. Иными словами, значения потенциалов будут одинаковы во всех его точках.

Разность потенциалов двух любых точек проводника будет равна:

Определение 1

Потенциал проводника – это значение его потенциала, одинаковое для всех точек.

Рассмотрим ситуацию с изолированным заряженным проводником. Вокруг него имеется электрическое поле, создаваемое зарядом и распространяемое в веществе вокруг него. Нормировка потенциала будет равна нулю в бесконечности. Тогда его потенциал может быть выражен так:

Интегрирование может начинаться в любой точке проводника и заканчиваться в бесконечности.

Измерение с помощью электрометра

Определение 2

Электроскоп — прибор для измерения разности потенциалов между двумя проводниками.

Если его стрелка или листочки заключены в металлическую оболочку, то его называют электрометром. Для измерения нам надо соединить один проводник с его оболочкой, а второй – с шариком, после чего стрелка прибора примет потенциал измеряемого тела.

При этом образуется электрическое поле с силовыми линиями, направленными от стрелки к оболочке или наоборот. От напряженности и конфигурации этого поля будет зависеть величина отклонения стрелки.

Важно отметить, что поле внутри металлической оболочки не будет зависеть от внешнего поля, а будет определяться только разностью потенциалов между стрелкой и оболочкой.

Определение 3

Мерой разности потенциалов двух измеряемых тел является угол отклонения стрелки электрометра.

Градуировка на таком приборе может быть и в вольтах. Зачастую при измерении вторым телом выступает земля, то есть выполняется заземление оболочки электрометра. В таком случае его показания будут означать потенциал тела относительно Земли.

Рисунок 1

Можно заземлять как оболочку, так и шарик, это не имеет значения. Это определит только направление, в котором будут идти силовые линии, а угол отклонения стрелки окажется одинаковым.

Очевидно, что стрелка должна иметь слабую связь с внешними полями, чтобы точность измерения электрометром была высокой. Однако слишком сильная связь искажает показания.

Чтобы создать нужный уровень защиты, в оболочке экрана или шарика, а также в наружной части стержня, соединяющего стрелку с шариком, оставляют небольшое отверстие.

Если контакт с внешними полями будет слишком интенсивным, то на этих частях прибора возникнут посторонние заряды, индуцированные внешними полями, которые будут вносить искажения при переходе на стрелку. По той же самой причине провода, соединяющие измеряемые тела, не должны быть толстыми.

С помощью электрометра мы можем убедиться в эквипотенциальности поверхности проводника. Соединив прибор с разными точками заряженного проводника, мы увидим, что отклонение стрелки останется прежним.

Измерение с помощью метода электрического зонда

Определение 4

Если нам нужно измерить разность потенциалов в жидких или газообразных диэлектриках, то применяется метод электрического зонда. Это небольшой металлический прибор, состоящий из шарика или диска, соединенного проволокой с шариком электрометра. При этом прибор должен иметь заземленную оболочку.

Зонд необходимо поместить в нужную точку диэлектрика, после чего он покажет разность потенциалов между оболочкой и стрелкой (или между зондом и Землей). Нужно учитывать, что помещение зонда в диэлектрик сильно изменяет потенциал измеряемой точки. Это происходит из-за индукционных зарядов на шарике прибора и самом зонде. Чтобы получить достоверные данные, нужно, чтобы при внесении зонда прибор и шарик электроскопа приняли исходный потенциал измеряемой точки.

Убрать индукционные заряды можно разными способами.

Пример 1

Например, если зонд капельный, то нам потребуется небольшой сосуд с проводящей жидкостью, на дне которого есть маленькое отверстие. Через него капли проводника унесут индукционный заряд, и все заряды с противоположным знаком перейдут на стрелку электрометра. Это должно изменить угол отклонения стрелки.

Если зонд не заряжен, то его потенциал такой же, как у окружающего его пространства. Поскольку он соединяется с шариком электрометра, то его потенциал будет равен ему. В итоге мы получим нужное значение потенциала без искажений.

Определение 5

Также индукционные заряды удаляют при помощи так называемого пламенного зонда. В таком случае в качестве зонда выступает конец металлической проволоки, соединенный с диэлектрической трубкой, используемой в качестве газовой горелки.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Как преобразовать напряжение в ток

Высокая температура слегка ионизирует воздух вокруг и делает его проводящим. В итоге индукционные заряды уносятся ионами вместе с потоком газа. Примерно та же идея лежит в основе радиоактивного зонда.

Примеры решения задач

Пример 2

Условие: экспериментально подтверждена отрицательная заряженность Земли. Около земной поверхности имеется напряженность, среднее значение которой составляет примерно 130 В на кв.м. У человека имеется разность потенциалов между головой и ногами, равная примерно 200 В. Поясните, почему при этом не происходит поражения электрическим током.

Решение

Тело человека – очень хороший проводник, значит, оно вносит сильные искажения в электрическое поле вокруг себя. На поверхности человеческого тела заряды перераспределяются, но это продолжается весьма недолгое время, и интенсивность процесса невысока.

Положение силовых линий поля по отношению к телу является перпендикулярным, а эквипотенциальные поверхности огибают его точно так же, как металлический предмет. Все тело человека является эквипотенциальным, т.е. в разных его точках потенциалы одинаковы.

Напряженность поля зависит от разности потенциалов поля, если разность потенциалов равна нулю, значит и напряженность поля будет нулевой.

Ответ: Именно поэтому человек не чувствует разности потенциалов электрического поля Земли.

Пример 3

Условие: прикосновение к электроскопу пальцем вызывает его разрядку. Будет ли прибор разряжаться в том случае, если рядом с ним будет находиться заряженное тело, изолированное от Земли?

Решение

При поднесении заряженного тела к электроскопу мы увидим, что на стержне прибора появятся индуцированные заряды. Со стороны внешнего конца они будут иметь знак, противоположный зарядам на внутреннем конце.

Ответ: электроскоп не разрядится.

Пример 4

Условие: измерение с помощью электрического зонда показало, что потенциал электрического поля Земли меняется по мере подъема вверх примерно на 100 В/м. Подсчитайте, чему будет равен заряд Земли, если считать, что поле создается именно им. Радиус Земли считать равным 6400 км.

Решение

То, что модуль напряженности меняется, может быть связано с изменением потенциала Земли. Нам потребуется формула:

E=∆φ∆x.

Учитывая размерность, сделаем вывод, что в задаче нужно использовать именно E.

Зная теорему Остроградского-Гаусса, можем записать:

ES=qεε0.

Здесь S=4πR2, где поверхность, через которую рассмотрен поток вектора напряженности. Она совпадает со сферой радиуса Земли.

Искомый заряд выражается так:

q=ESεε0.

Примем ε=1. Подставим это в формулу, учтем, что S=4πR2, и получим:

q=∆φ∆x4πR2εε0.

Переведем радиус Земли в СИ, получим: R=6,4·106 м. Вычислим заряд Земли:

q=100·4·3,14·8,85·10-12·6,4·10621≈4,55·105 Кл

Ответ: Земля имеет заряд, равный 4,55·105 Кл.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Не получается написать работу самому?

Доверь это кандидату наук!

Источник: https://zaochnik.com/spravochnik/fizika/elektricheskoe-pole/izmerenie-potentsiala-provodnika/

Потенциал в электростатике

Определение 1

Электростатический потенциал представляет скалярную энергетическую характеристику электростатического поля, характеризующую потенциальную энергию, обладателем которой является единичный положительный пробный заряд, который поместили в данную точку поля. В качестве единицы измерения потенциала в системе единиц выступает вольт.

Электростатическое поле представляет образованное неподвижными в пространстве и неизменными во времени электрозарядами поле (при условии отсутствия электрических токов). Электрическое поле, таким образом, считается особым видом материи, связанным с электрическими зарядами и передающим воздействия зарядов друг на друга.

Так, при присутствии в пространстве системы заряженных тел, то в каждой его точке будет фиксироваться существование силового электрического поля, определяемого через силу, воздействующую на пробный точечный заряд, помещенный в данное поле. Пробный заряд должен при этом быть ничтожно малым, чтобы не оказать влияние на характеристику электростатического поля.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Рисунок 1. Электростатическое поле. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Электрическое поле называют однородным в ситуации, если вектор его напряженности оказывается одинаковым во всех точках поля.В качестве главных характеристик электростатического поля выделяют следующие:

  • напряженность;
  • потенциал.

Силовые линии такого поля обладают такими свойствами:

  1. Они будут всегда замкнутыми, то есть начинающимися на положительных зарядах и заканчивающимися на отрицательных. Они не пересекаются между собой и не касаются друг друга.
  2. Плотность линий тем больше, чем большей будет напряжённость. Другими словами, напряжённость поля является прямо пропорциональной количеству силовых линий, пересекающих площадку единичной площади, чье расположение будет перпендикулярно линиям.

Замечание 1

Электростатическое поле оказывает непосредственное воздействие на любое количество зарядов, при этом возникнет сложная система взаимодействий. Напряженность системы можно рассматривать с точки зрения суперпозиции, поэтому суммарное влияние числа зарядов является векторной суммой всех напряженностей поля.

В соответствии с этим, чем больше таких линий, тем интенсивнее оказывается силовое воздействие. В металлах (и иных проводящих материалах) напряженность поля будет отсутствовать (за счет встречно направленного действия поля свободных носителей заряда, пребывающих в структуре кристаллической решетки).

Фактически, силы оперативно уравниваются, фиксируется отсутствие тока, а линии напряженности не способны проникнуть в такой проводник. Помимо векторных величин, поле может описываться скалярными значениями (идеальный случай), взятыми в каждой точке. Такие значения в электростатике характеризуют потенциал поля.

Определение электростатического потенциала

Тело, пребывающее в потенциальном поле сил (а электростатическое поле считается потенциальным), имеет потенциальную энергию, посредством которой силами поля будет совершаться работа. Работа консервативных сил будет выполняться за счет убыли потенциальной энергии

Электростатический потенциал является специальным термином в случае возможной замены общего термина в электродинамике (скалярный потенциал). Исторически в физике первым наблюдается появление термина «электростатический потенциал», а уже скалярный потенциал электродинамики стал его обобщением.

В связи с тем, что потенциал (равно как и потенциальная энергия) может определяться с точностью до произвольной постоянной (и все величины, которые возможно измерить: напряженности поля, силы, остаются неизменными в независимости от выбора способа постоянной величины) непосредственным физическим смыслом (если не имеются в виду квантовые эффекты) обладает не сам потенциал, а разность потенциалов.

При этом принято считать, что прочие заряды при подобной операции «заморожены» (неподвижны в момент такого перемещения (подразумевается воображаемое, а не реальное перемещение). При этом, в редких случаях, с целью снятия неоднозначности, используют определенные «естественные» условия.

Рисунок 2. Потенциал электростатического поля. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Так, например, часто потенциал определяется таким образом, чтобы его значение оказывалось равнозначно нулевому на бесконечности для какого-либо точечного заряда. В такой ситуации для любой конечной системы зарядов будет выполнимо на бесконечности аналогичное условие, а над произволом выбора константы при этом можно будет не задумываться.

Особенности кулоновского потенциала

Иногда такой термин, как «кулоновский потенциал» применяется при обозначении электростатического потенциала (в формате полного синонима). При этом они несколько различны касательно области применения.

Замечание 2

Зачастую, под «кулоновским потенциалом» понимают электростатический потенциал одного (или, возможно, нескольких) точечного заряда, который получен посредством сложения кулоновского потенциала каждого из них.

Зачастую даже в ситуации с потенциалом, созданным непосредственно непрерывно распределенными зарядами, если его и называют «кулоновским», то это может означать его выражение в виде суммы числа элементов (пусть и бесконечного), на которые разбивается заряженный объем, однако при этом потенциал каждого рассчитывается в виде потенциала точечного заряда.

При этом, в связи с тем, что электростатический потенциал может быть, в принципе, выражаться подобным образом практически всегда, разграничение терминов в таком случае становится довольно размытым.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Что такое правило буравчика

Рисунок 3. Кулоновские силы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Под «кулоновским» также понимается потенциал любой природы (иными словами, он не обязательно должен быть электрическим), который при наличии точечного или сферически симметричного источника будет зависимым от расстояния на $\frac {1}{г}$ (гравитационный потенциал в теории тяготения Ньютона, например, хоть его часто называют «ньютоновским», поскольку он был исследован раньше)). Особенно это происходит в случае необходимости обозначения всего класса потенциалов (в отличие от потенциалов с некоторыми другими «зависимостями» от расстояния.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/potencial_v_elektrostatike/

Электрический потенциал

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:

A = Fs

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

В свою очередь:

F = qEтогдаA = 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.

U = W/q

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)/r2

  • 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=8,99·109 Н·м2/Кл2

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

F = (kQ)/r2

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 = CU

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

Для плоского конденсатора напряженность его электрического поля определяется по формуле:

E = q/(ε0A)

  • A — площадь пластины конденсатора;
  • ε0 — электрическая постоянная

Поскольку, для плоского конденсатора U=Es, то U=(qs)/(ε0A).

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

C = q/U = (ε0A)/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 = (εε0A)/s

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

W = 1/2CU2 Дж

Источник: https://prosto-o-slognom.ru/fizika/48_elektricheskij_potentsial.html

Обязательные вопросы по физике

1.Напряженность электростатическогополя

Силовойхарактеристикой поля, создаваемогозарядом q, является отношение силы,действующей на заряд, к величине этогозаряда называемое напряженностьюэлектростатического поля.

2.Напряженность поля точечного заряда

Обозначим: q -заряд, создающий поле,

q -заряд, помещенный в поле (внешний заряд).

ЗаконКулона: .Напряженность поля:.

Тогданапряженность поля точечного заряда: 

3.Линейная, поверхностная, объемнаяплотность заряда

4.Дипольный момент

Электрическийдипольный момент — векторная физическаявеличина, характеризующая, наряду ссуммарным зарядом, электрическиесвойства системы заряженных частиц всмысле создаваемого ею поля и действияна неё внешних полей.

Дипольныймомент, электрический, величина,характеризующая электрические свойствасистемы заряженных частиц. Дипольныймомент р электро-нейтральной системы,состоящей из n заряженных частиц, равен:

p= Σni=1eivi,где ei—зарядi-той частицы, vi;— её радиус-вектор

5. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме

Теорема:Потоком вектора напряженности наз.величина Ф, равная произведению модулявектора напряженности на площадь контураS, ограничивающую некоторую площадь, ина косинус угла между векторомнапряженности и нормалью (перпендикуляром)к площадке.

Потоквектора напряженности электростатическогополя через произвольную замкнутуюповерхность равен алгебраической суммезарядов, расположенных внутри этойповерхности, деленной на электрическуюпостоянную ε0.

6. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля

Циркуляциейвектора напряженности называетсяработа, которую совершают электрическиесилы при перемещении единичногоположительного заряда по замкнутомупути L.

Таккак работа сил электростатическогополя по замкнутому контуру равна нулю(работа сил потенциального поля),следовательно циркуляция напряженностиэлектростатического поля по замкнутомуконтуру равна нулю.

7. Потенциал электростатического поля

Потенциалэлектростатического поля — скалярнаявеличина, равная отношению потен­циальнойэнергии заряда в поле к этому заряду:

-энергетическая характеристика поля вданной точке. Потенциал не зависит отвеличины заряда, помещенного в это поле.

Т.к.потенциальная энергия зависит от выборасистемы координат, то и потенциалопределяется с точностью до постоянной.За точку отсчета потенциала выбираютв зависимости от задачи: а) потенциалЗемли, б) потенциал бесконечно удаленнойточки поля, в) потенциал отрицательнойпластины конденсатора.

Потенциалчисленно равен работе поля по перемещениюединичного положительного заряда изданной точки электрического поля вбесконечность.

ВСИ потенциал измеряется в вольтах.

8. Потенциал поля точечного заряда

9.Разность потенциалов

Напряжение— разность значений потенциала вначальной и конечной точках траектории.

Напряжениечисленнао равно работе электростатическогополя при перемещении единичногоположительного заряда вдоль силовыхлиний этого поля.

Разностьпотенциалов (напряжение) не зависит отвыбора системы координат. Измеряетсяв вольтах.

10.Связь напряженности и потенциала

Напряженностьравна градиенту потенциала (скоростиизменения потенциала вдоль направленияd)

А)Вектор напряженности направлен в сторонууменьшения потенциала.

Б)Электрическое поле существует, еслисуществует разность потенциалов.

В)Единица напряженности:

11.Поле равномерно заряженной плоскости

Еслизаряд распределён по поверхности, удобнопользоваться понятием поверхностнойплотности заряда. Выделим на плоскойповерхности малый участок площадью ΔS;пусть его заряд Δq. Тогда поверхностнаяплотность заряда равна σ =Δq/ΔS. Еслизаряд распределён равномерно, то σ =q/S.

12.Поле двух параллельных равномернозаряженных плоскостей

Пустьплоскости заряжены равномерноразноименными зарядами с поверхностнымиплотностями +σ и −σ. Поле таких плоскостейнайдем как суперпозицию полей, создаваемыхкаждой из плоскостей в отдельности.

Нарисунке верхние стрелки соответствуютполю от положительно заряженнойплоскости, нижние — от отрицательнойплоскости. Слева и справа от плоскостейполя вычитаются (линии напряженностинаправлены навстречу друг другу), поэтомуздесь напряженность поля E = 0

Вобласти между плоскостями E++ E-(E+и E-определяются по формуле),поэтому результирующая напряженность:.

Такимобразом, результирующая напряженностьполя в области между плоскостямиописывается этой формулой, а вне объема,ограниченного плоскостями, равна нулю.

Источник: https://studfile.net/preview/6467480/

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
220 вольт
Когда должно автоматически включаться эвакуационное освещение

Закрыть