Qual è la differenza potenziale e potenziale tra due punti

Il concetto di potenziale elettrico è uno dei fondamenti importanti della teoria dell'elettrostatica e dell'elettrodinamica. Comprendere la sua essenza è una condizione necessaria per ulteriori studi di questi rami della fisica.

Cos'è il potenziale elettrico

Sia posta una carica unitaria q nel campo creato da una carica fissa Q, che è influenzata da Forza Coulomb F=k*Qq/r.

Qui e sotto k=((1/4)*π* ε* ε), dove ε_{0 —} costante elettrica (8,85*10^-12 F/m), mentre ε è costante dielettrica media.

Ha contribuito carica sotto l'azione di questa forza, può muoversi e la forza farà una certa quantità di lavoro. Ciò significa che un sistema di due cariche ha un'energia potenziale che dipende dall'entità di entrambe le cariche e dalla distanza tra di esse e l'entità di questa energia potenziale non dipende dall'entità della carica q. Qui viene introdotta la definizione del potenziale elettrico - è uguale al rapporto tra l'energia potenziale del campo e l'entità della carica:

φ=W/q,

dove W è l'energia potenziale del campo creato dal sistema di cariche e il potenziale è l'energia caratteristica del campo. Per spostare una carica q in un campo elettrico per una certa distanza, è necessario spendere una certa quantità di lavoro per vincere le forze di Coulomb. Il potenziale di un punto è uguale al lavoro che deve essere speso per spostare una carica unitaria da questo punto all'infinito. Nel fare ciò, va notato che:

• questo lavoro sarà uguale alla diminuzione dell'energia potenziale della carica (A=W₂-W₁);
• il lavoro non dipende dalla traiettoria della carica.

Nel sistema SI, l'unità di potenziale è un Volt (nella letteratura russa è indicata dalla lettera V, nella letteratura straniera - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, cioè possiamo parlare del potenziale di un punto di 1 volt, se ci vuole 1 Joule per spostare una carica di 1 C all'infinito. Il nome è stato scelto in onore del fisico italiano Alessandro Volta, che ha dato un contributo significativo allo sviluppo dell'ingegneria elettrica.

Per visualizzare cos'è un potenziale, può essere confrontato con la temperatura di due corpi o con la temperatura misurata in diversi punti dello spazio. La temperatura è una misura del riscaldamento degli oggetti e il potenziale è una misura della carica elettrica. Si dice che un corpo si scalda più di un altro, si può anche dire che un corpo si carica di più e l'altro di meno. Questi corpi hanno un potenziale diverso.

Il valore del potenziale dipende dalla scelta del sistema di coordinate, quindi è richiesto un certo livello, che deve essere preso come zero. Quando si misura la temperatura, ad esempio, la temperatura del ghiaccio che si scioglie può essere presa come riferimento.Per il potenziale, il potenziale di un punto infinitamente distante viene generalmente preso come livello zero, ma per risolvere alcuni problemi, ad esempio, il potenziale di terra o il potenziale di una delle piastre del condensatore può essere considerato zero.

Potenziali proprietà

Tra le proprietà importanti del potenziale si segnalano:

• se il campo è creato da più cariche, allora il potenziale in un punto particolare sarà uguale alla somma algebrica (tenendo conto del segno della carica) dei potenziali creati da ciascuna delle cariche φ=φ₁+φ₂+φ₃+φ₄+φ₅+…+φ_n;
• se le distanze dalle cariche sono tali che le cariche stesse possono essere considerate come cariche puntiformi, allora il potenziale totale è calcolato con la formula φ=k*(q₁/r₁+q₂/r₂+q₃/r₃+…+q_n/r_n), dove r è la distanza dalla carica corrispondente al punto considerato.

Se il campo è formato da un dipolo elettrico (due cariche collegate di segno opposto), allora il potenziale in qualsiasi punto situato a distanza r dal dipolo sarà uguale a φ=k*p*cosά/r², dove:

• p è il braccio elettrico del dipolo, pari a q*l, dove l è la distanza tra le cariche;
• r è la distanza dal dipolo;
• ά è l'angolo tra il braccio del dipolo e il vettore raggio r.

Se il punto giace sull'asse del dipolo, allora cosά=1 e φ=k*p/r².

Differenza di potenziale

Se due punti hanno un certo potenziale, e se non sono uguali, allora dicono che c'è una differenza di potenziale tra i due punti. La differenza di potenziale si verifica tra i punti:

• il cui potenziale è determinato da cariche di segno diverso;
• un punto con potenziale da una carica di qualsiasi segno e un punto con potenziale zero;
• punti che hanno il potenziale dello stesso segno, ma differiscono in valore assoluto.

Cioè, la differenza di potenziale non dipende dalla scelta del sistema di coordinate.È possibile tracciare un'analogia con pozze d'acqua situate a diverse altezze rispetto alla tacca dello zero (ad esempio, sul livello del mare).

L'acqua di ogni piscina ha una certa energia potenziale, ma se colleghi due piscine qualsiasi con un tubo, in ciascuna di esse ci sarà un flusso d'acqua, la cui portata è determinata non solo dalle dimensioni del tubo , ma anche dalla differenza di energie potenziali nel campo gravitazionale terrestre (cioè il dislivello). Il valore assoluto delle energie potenziali non ha importanza in questo caso.

Allo stesso modo, se colleghi due punti con potenziale diverso con un conduttore, scorrerà elettricità, determinati non solo dalla resistenza del conduttore, ma anche dalla differenza di potenziale (ma non dal loro valore assoluto). Continuando l'analogia con l'acqua, possiamo dire che l'acqua nella vasca superiore si esaurirà presto e se non c'è forza che sposterà l'acqua verso l'alto (ad esempio una pompa), il flusso si fermerà molto rapidamente.

Così è in un circuito elettrico: per mantenere una differenza di potenziale a un certo livello, è necessaria una forza che trasferisca le cariche (più precisamente, i portatori di carica) in un punto con il potenziale più alto. Questa forza è chiamata forza elettromotrice ed è abbreviata in EMF. I campi elettromagnetici possono essere di natura diversa: elettrochimica, elettromagnetica, ecc.

In pratica, è principalmente la differenza di potenziale tra i punti iniziale e finale della traiettoria dei portatori di carica che conta. In questo caso, questa differenza è chiamata tensione e in SI è anche misurata in volt.Possiamo parlare di una tensione di 1 Volt se il campo funziona di 1 Joule quando si sposta una carica di 1 Coulomb da un punto all'altro, ovvero 1V \u003d 1J / 1C e J / C può anche essere un'unità di differenza di potenziale.

Superfici equipotenziali

Se il potenziale di più punti è lo stesso e questi punti formano una superficie, allora tale superficie è chiamata equipotenziale. Tale proprietà ha, ad esempio, una sfera circoscritta attorno ad una carica elettrica, perché il campo elettrico diminuisce con la distanza ugualmente in tutte le direzioni.

Tutti i punti di questa superficie hanno la stessa energia potenziale, quindi quando si sposta una carica su una tale sfera, non verrà speso alcun lavoro. Le superfici equipotenziali di sistemi con più cariche hanno una forma più complessa, ma hanno una proprietà interessante: non si intersecano mai. Le linee di forza del campo elettrico sono sempre perpendicolari alle superfici con lo stesso potenziale in ciascuno dei loro punti. Se la superficie equipotenziale è tagliata da un piano, si otterrà una linea di potenziali uguali. Ha le stesse proprietà di una superficie equipotenziale. In pratica, ad esempio, punti sulla superficie di un conduttore posti in un campo elettrostatico hanno un potenziale uguale.

Dopo aver affrontato il concetto di potenziale e differenza di potenziale, puoi procedere allo studio ulteriore dei fenomeni elettrici. Ma non prima, perché senza comprendere i principi ei concetti di base, non sarà possibile approfondire la conoscenza.

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