ศักยภาพและความต่างศักย์ระหว่างจุดสองจุดคืออะไร

แนวคิดเรื่องศักย์ไฟฟ้าเป็นหนึ่งในรากฐานที่สำคัญของทฤษฎีไฟฟ้าสถิตและอิเล็กโทรไดนามิกส์ การทำความเข้าใจสาระสำคัญของมันคือเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับสาขาฟิสิกส์เหล่านี้

ศักย์ไฟฟ้าคืออะไร

ให้วางประจุต่อหน่วย q ลงในฟิลด์ที่สร้างโดยประจุคงที่ Q ซึ่งได้รับผลกระทบจาก แรงคูลอมบ์ F=k*Qq/r.

ที่นี่และด้านล่าง k=((1/4)*π* ε* ε) โดยที่ ε_{0 —} ค่าคงที่ทางไฟฟ้า (8.85*10^-12 F/m) ในขณะที่ ε คือ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกปานกลาง.

มีส่วนร่วม ค่าใช้จ่าย ภายใต้การกระทำของแรงนี้ มันสามารถเคลื่อนที่ได้ และแรงจะทำงานจำนวนหนึ่ง ซึ่งหมายความว่าระบบของประจุสองประจุมีพลังงานศักย์ที่ขึ้นอยู่กับขนาดของประจุทั้งสองและระยะห่างระหว่างประจุทั้งสอง และขนาดของพลังงานศักย์นี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับขนาดของประจุ q นี่คือการแนะนำคำจำกัดความของศักย์ไฟฟ้า - เท่ากับอัตราส่วนของพลังงานศักย์ของสนามต่อขนาดของประจุ:

φ=W/q,

โดยที่ W คือพลังงานศักย์ของสนามที่สร้างขึ้นโดยระบบประจุ และศักย์คือลักษณะพลังงานของสนาม ในการเคลื่อนประจุ q ในสนามไฟฟ้าเป็นระยะทางหนึ่ง จำเป็นต้องใช้งานจำนวนหนึ่งเพื่อเอาชนะกองกำลังคูลอมบ์ ศักยภาพของจุดหนึ่งมีค่าเท่ากับงานที่ต้องใช้เพื่อย้ายประจุหนึ่งหน่วยจากจุดนี้ไปเป็นอนันต์ ในการทำเช่นนั้น ควรสังเกตว่า:

• งานนี้จะเท่ากับการลดลงของพลังงานศักย์ของประจุ (A=W₂-W₁);
• การทำงานไม่ได้ขึ้นอยู่กับวิถีของการชาร์จ

ในระบบ SI หน่วยของศักยภาพคือหนึ่งโวลต์ (ในวรรณคดีรัสเซียจะแสดงด้วยตัวอักษร V ในวรรณคดีต่างประเทศ - V) 1 V \u003d 1J / 1 C นั่นคือเราสามารถพูดถึงศักยภาพของจุด 1 โวลต์ได้หากใช้ 1 จูลเพื่อย้ายประจุ 1 C สู่อนันต์ ชื่อนี้ได้รับเลือกเพื่อเป็นเกียรติแก่นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี Alessandro Volta ซึ่งมีส่วนสำคัญในการพัฒนาวิศวกรรมไฟฟ้า

เพื่อให้เห็นภาพว่ามีศักยภาพเพียงใด สามารถเปรียบเทียบกับอุณหภูมิของวัตถุสองชิ้นหรืออุณหภูมิที่วัดที่จุดต่างๆ ในอวกาศได้ อุณหภูมิเป็นตัววัดความร้อนของวัตถุ และศักย์ไฟฟ้าเป็นตัววัดประจุไฟฟ้า ว่ากันว่าร่างหนึ่งได้รับความร้อนมากกว่าอีกร่างหนึ่ง อาจกล่าวได้ว่าร่างหนึ่งมีประจุมากขึ้น อีกร่างหนึ่งมีประจุน้อยกว่า ร่างกายเหล่านี้มีศักยภาพที่แตกต่างกัน

ค่าศักย์ไฟฟ้าขึ้นอยู่กับทางเลือกของระบบพิกัด ดังนั้นจำเป็นต้องมีบางระดับ ซึ่งจะต้องถือเป็นศูนย์ เมื่อทำการวัดอุณหภูมิ ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิของน้ำแข็งละลายสามารถนำมาเป็นค่าพื้นฐานได้สำหรับศักยภาพ ศักยภาพของจุดที่ห่างไกลอนันต์มักจะถูกนำมาเป็นระดับศูนย์ แต่สำหรับการแก้ปัญหาบางอย่าง ตัวอย่างเช่น ศักย์ของกราวด์หรือศักยภาพของเพลตตัวเก็บประจุตัวใดตัวหนึ่งถือได้ว่าเป็นศูนย์

คุณสมบัติที่เป็นไปได้

ในบรรดาคุณสมบัติที่สำคัญของศักยภาพควรสังเกตสิ่งต่อไปนี้:

• ถ้าสนามถูกสร้างขึ้นด้วยประจุหลายตัว ศักย์ที่จุดใดจุดหนึ่งจะเท่ากับพีชคณิต (โดยคำนึงถึงเครื่องหมายของประจุ) ผลรวมของศักย์ไฟฟ้าที่เกิดจากประจุแต่ละตัว₁+φ₂+φ₃+φ₄+φ₅+…+φ_น;
• หากระยะห่างจากประจุเท่ากับประจุเองที่ถือได้ว่าเป็นประจุแบบจุด ศักย์รวมจะถูกคำนวณโดยสูตร φ=k*(q₁/r₁+q₂/r₂+q₃/r₃+…+q_น/r_น) โดยที่ r คือระยะห่างจากประจุที่สอดคล้องกันของจุดที่พิจารณา

ถ้าสนามเกิดจากไดโพลไฟฟ้า (ประจุสองประจุที่เชื่อมต่อกันของเครื่องหมายตรงข้าม) ศักย์ที่จุดใดๆ ที่ระยะห่าง r จากไดโพลจะเท่ากับ φ=k*p*cosά/r², ที่ไหน:

• p คือแขนไฟฟ้าของไดโพล เท่ากับ q*l โดยที่ l คือระยะห่างระหว่างประจุ
• r คือระยะห่างจากไดโพล
• ά คือมุมระหว่างแขนไดโพลกับเวกเตอร์รัศมี r

หากจุดอยู่บนแกนของไดโพล ดังนั้น cosά=1 และ φ=k*p/r².

ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น

หากจุดสองจุดมีศักยภาพที่แน่นอน และหากไม่เท่ากัน แสดงว่าจุดสองจุดมีศักยภาพที่แตกต่างกัน ความต่างศักย์เกิดขึ้นระหว่างจุดต่างๆ:

• ซึ่งศักยภาพถูกกำหนดโดยค่าใช้จ่ายของสัญญาณต่าง ๆ
• จุดที่มีศักยภาพจากประจุของเครื่องหมายใด ๆ และจุดที่มีศักยภาพเป็นศูนย์
• จุดที่มีศักยภาพเป็นเครื่องหมายเดียวกัน แต่มีค่าสัมบูรณ์ต่างกัน

นั่นคือความต่างศักย์ไม่ได้ขึ้นอยู่กับการเลือกระบบพิกัดการเปรียบเทียบสามารถทำได้โดยใช้แอ่งน้ำที่ระดับความสูงต่างกันเมื่อเทียบกับจุดศูนย์ (เช่น ระดับน้ำทะเล)

น้ำของแต่ละสระมีพลังงานศักย์ที่แน่นอน แต่ถ้าคุณเชื่อมต่อสระสองสระใด ๆ กับท่อแล้วในแต่ละสระจะมีการไหลของน้ำซึ่งอัตราการไหลนั้นไม่ได้กำหนดโดยขนาดของท่อเท่านั้น แต่ยังเกิดจากความแตกต่างของพลังงานศักย์ในสนามโน้มถ่วงของโลกด้วย (นั่นคือ ความแตกต่างของความสูง) ค่าสัมบูรณ์ของพลังงานศักย์ไม่สำคัญในกรณีนี้

ในทำนองเดียวกัน ถ้าเชื่อมจุดสองจุดที่มีศักย์ต่างกันกับตัวนำ ก็จะไหล ไฟฟ้าถูกกำหนดโดยความต้านทานของตัวนำเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความต่างศักย์ (แต่ไม่ใช่โดยค่าสัมบูรณ์) ในการเปรียบเทียบกับน้ำอย่างต่อเนื่อง เราสามารถพูดได้ว่าน้ำในสระด้านบนจะหมดลงในเร็วๆ นี้ และหากไม่มีแรงใดๆ ที่จะทำให้น้ำสำรอง (เช่น ปั๊ม) การไหลจะหยุดเร็วมาก

ดังนั้นมันจึงอยู่ในวงจรไฟฟ้า - เพื่อรักษาความต่างศักย์ในระดับหนึ่ง แรงที่จำเป็นในการถ่ายโอนประจุ (ที่แม่นยำกว่าคือตัวพาประจุ) ไปยังจุดที่มีศักยภาพสูงสุด แรงนี้เรียกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า และเรียกย่อว่า EMF EMF อาจมีลักษณะแตกต่างกัน เช่น ไฟฟ้าเคมี แม่เหล็กไฟฟ้า ฯลฯ

ในทางปฏิบัติ ส่วนใหญ่เป็นความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างจุดเริ่มต้นและจุดสุดท้ายของวิถีของตัวขนส่งประจุที่มีความสำคัญ ในกรณีนี้ ความแตกต่างนี้เรียกว่าแรงดันไฟฟ้า และใน SI จะวัดเป็นโวลต์ด้วยเราสามารถพูดถึงแรงดันไฟฟ้า 1 โวลต์ได้หากสนามทำงาน 1 จูลเมื่อเคลื่อนที่ประจุ 1 คูลอมบ์จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง นั่นคือ 1V \u003d 1J / 1C และ J / C ก็สามารถเป็นหน่วยของ ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น

พื้นผิวเทียบเท่า

หากศักยภาพของจุดหลายจุดเท่ากัน และจุดเหล่านี้ก่อตัวเป็นพื้นผิว แล้วพื้นผิวดังกล่าวจะเรียกว่าสมศักย์ไฟฟ้า คุณสมบัติดังกล่าวมีตัวอย่างเช่น ทรงกลมล้อมรอบประจุไฟฟ้า เนื่องจากสนามไฟฟ้าลดลงตามระยะทางเท่ากันในทุกทิศทาง

ทุกจุดบนพื้นผิวนี้มีพลังงานศักย์เท่ากัน ดังนั้นเมื่อเคลื่อนที่ประจุไปเหนือทรงกลมดังกล่าว จะไม่มีงานใดเกิดขึ้น พื้นผิวศักย์ศักย์ของระบบของประจุหลายตัวมีรูปร่างที่ซับซ้อนกว่า แต่มีคุณสมบัติที่น่าสนใจอย่างหนึ่ง - ไม่เคยตัดกัน เส้นแรงของสนามไฟฟ้ามักจะตั้งฉากกับพื้นผิวที่มีศักย์ไฟฟ้าเท่ากันในแต่ละจุด หากพื้นผิวศักย์ไฟฟ้าถูกตัดโดยระนาบ จะได้เส้นศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน มีคุณสมบัติเช่นเดียวกับพื้นผิวศักย์เท่ากัน ในทางปฏิบัติ ตัวอย่างเช่น จุดบนพื้นผิวของตัวนำที่วางอยู่ในสนามไฟฟ้าสถิตจะมีศักย์เท่ากัน

เมื่อจัดการกับแนวคิดของศักย์และความต่างศักย์คุณสามารถดำเนินการศึกษาปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าต่อไปได้ แต่ไม่ใช่ก่อนหน้านี้ เพราะหากปราศจากความเข้าใจในหลักการพื้นฐานและแนวคิด จะไม่สามารถทำให้ความรู้ลึกซึ้งขึ้นได้

บทความที่คล้ายกัน: