Разность потенциалов единица измерения: Разность потенциалов. Видеоурок. Физика 10 Класс

Содержание

Разность потенциалов | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Определение потенциала, как и потенциальной энергии, является в подавляющем большинстве случаев промежуточным действием. Как правило, практическое значение имеет определение работы, которую выполняет электрическое поле. Связанный непосредственно с потенциальной энергией, потенциал может быть определен лишь с точностью до определенной постоянной величины, значение которой зависит от выбора нулевого уровня отсчета.

Значение потенциала определяется с точностью до некоторой постоянной величины.

Потенциал точки поля определяется по напряженности электрического поля E и расстоянию ее от нулевого уровня l.

φ = El.

Работа в электростатическом поле определяется однозначно.

Если выбор нулевого уровня произвольный, то и значение l может быть произвольным. Поэтому часто потенциал записывают в виде

φ =

El + C,

С — константа.

Если же определять работу, которая по определению равна изменению потенциальной энергии с противоположным знаком, то получается вполне определенная величина:

A = qEl₁ + C — qEl₂ — C = qEl₁ — qEl₂.

Полученное выражение можно записать в виде

A = q(φ₁ — φ₂) = qΔφ.

Отсюда

Δφ = φ₁ — φ₂ = A / q.

Поскольку работа и электрический заряд измеряются однозначно, то и разность потенциалов будет иметь вполне определенное значение. Поэтому разность потенциалов считают отдельной физической величиной.

Физическая величина, характеризующая энергетическое состояние поля и равная отношению работы по перемещению заряженного тела из одной точки поля в другую к значению заряда, называется разностью потенциалов.

Разность потенциалов в электростатическом поле определяется однозначно.

Для измерения разности потенциалов, как и потенциала, применяется единица 1 вольт и производные от него единицы: 1 мВ, 1 мкВ, 1 кВ, 1 MB. Прибор, которым измеряют

разность потенциалов, называется вольтметром.

Из предыдущего известно, что разность потенциалов в однородном поле связана с напряженностью электрического поля:

φ₁ — φ₂ = E(l₁ — l₂). Материал с сайта http://worldofschool.ru

Отсюда

E = (φ₁ — φ₂) / (l₁ — l₂) = Δφ / Δl.

Последнее выражение использовано для введения единицы напряженности электрического поля. При φ₁ — φ₂= 1 В и l₁ — l₂= 1 м получим Е = 1 В/м.

По разности потенциалов можно определить напряженность электростатического поля.

На этой странице материал по темам:

Презентация измерения разности потенциалов
Каким прибором измеряется разность потенциалов
Htit,ybr yf hfpyjcnm gjntywbfkjd abpbrf
Определение разность потенциалов физика
Разность потенциалов физика величина

Вопросы по этому материалу:

Почему неудобно использовать понятие потенциала для решения практических задач?
Что называется разностью потенциалов?
Какие единицы измерения разности потенциалов?
Каким прибором измеряется разность потенциалов?

Что такое ЭДС, разность потенциалов и напряжение

В этой статье ЭлектроВести расскажув вам, что такое ЭДС, разность потенциалов и напряжение , какая между ними разницаю

В материалах по электротехнике и электронике часто можно встретить три физические величины, имеющие одну и ту же единицу измерения — Вольт: разность электрических потенциалов, электрическое напряжение и ЭДС — электродвижущая сила.

Чтобы раз и навсегда избавиться от путаницы в терминах, давайте разберемся, в чем же заключаются различия между этими тремя понятиями. Для этого подробно рассмотрим каждое из них по отдельности.

Разность электрических потенциалов

На сегодняшний день физикам известно, что источниками электрических полей являются электрические заряды или изменяющиеся магнитные поля. Когда же мы рассматриваем определенные точки А и В в электростатическом поле известной напряженности E, то можем тут же говорить и о разности электростатических потенциалов между двумя данными точками в текущий момент времени.

Эта разность потенциалов находится как интеграл электрической напряженности между точками А и В, расположенными в данном электрическом поле на определенном расстоянии друг от друга:

Практически такая характеристика как потенциал относится к одному электрическому заряду, который теоретически может быть неподвижно установлен в данную точку электростатического поля, и тогда величина электрического потенциала для этого заряда q будет равна отношению потенциальной энергии W (взаимодействия данного заряда с данным полем) к величине этого заряда:

Отсюда следует, что разность потенциалов оказывается численно равна отношению работы A (работа по сути — изменение потенциальной энергии заряда), совершаемой данным электростатическим полем при переносе рассматриваемого заряда q из точки поля 1 в точку поля 2, к величине данного пробного заряда q:

В этом и заключается практический смысл термина «разность потенциалов», применительно к электротехнике, электронике, и вообще — к электрическим явлениям.

И если мы говорим о какой-нибудь электрической цепи, то можем судить и о разности потенциалов между двумя точками такой цепи, если в ней в данный момент действует

электростатическое поле, причем как раз потому, что рассматриваемые точки цепи будут находится одновременно и в электростатическом поле определенной напряженности.

Как было сказано выше, разность электрических потенциалов измеряется в вольтах (1 вольт = 1 Дж/1Кл).

Электрическое напряжение U

Теперь рассмотрим такое понятие как электрическое напряжение U между точками А и В в электрическом поле или в электрической цепи. Электрическим напряжением называется скалярная физическая величина, численно равная работе эффективного электрического поля (включая и сторонние поля!), совершаемой при переносе единичного электрического заряда из точки А в точку В.

Электрическое напряжение измеряется в вольтах, как и разность электрических потенциалов. В случае с напряжением принято считать, что перенос заряда не изменит распределения зарядов, являющихся источниками эффективного электростатического поля. И напряжение в этом случае будет складываться из работы электрических сил и работы сторонних сил.

Если сторонние силы отсутствуют, то работу совершит лишь потенциальное электрическое поле, и в этом случае электрическое напряжение между точками А и В цепи будет численно в точности равно разности потенциалов между данными точками, то есть отношению работы по переносу заряда из точки А в точку В к величине заряда q:

Однако в общем случае напряжение между точками A и B отличается от разности потенциалов между этими точками на работу сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда:

Эту работу сторонних сил как раз и называют электродвижущей силой на данном участке цепи, сокращенно — ЭДС:

Электродвижущая сила — ЭДС

Электродвижущая сила — ЭДС так же, как и напряжение, в Международной системе единиц (СИ) измеряется в вольтах.

ЭДС является скалярной физической величиной, характеризующей работу непосредственно действующих сторонних сил (любых сил за исключением электростатических) в цепях постоянного или переменного тока. В частности, в замкнутой проводящей цепи ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура.

Здесь при необходимости вводят в рассмотрение электрическую напряженность сторонних сил Еex, являющуюся векторной физической величиной, равной отношению величины действующей на пробный электрический заряд сторонней силы к величине данного заряда. Тогда в замкнутом контуре L ЭДС будет равна:

Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке электрической цепи. Это будет, по сути, удельная работа сторонних сил лишь на рассматриваемом ее участке. ЭДС гальванического элемента, к примеру, есть ни что иное, как работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда только внутри этого гальванического элемента, а именно — от одного его полюса к другому.

Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит (!) от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами источника тока за пределами данного источника равна нулю.

Ранее ЭлектроВести писали, что дожди могут стать новым источником возобновляемой и предельно дешевой энергии: ученые из Гонконга придумали новый тип электрогенератора с высоким КПД и удельной мощностью в тысячу раз большей, чем у существовавших до сих пор других подобных устройств. Их изобретение позволяет получать из падения одной капли воды с высоты 15 см напряжение свыше 140 вольт, а энергии этого падения хватит для питания 100 небольших светодиодных ламп.

По материалам: electrik.info.

разность потенциалов в электротехнике и физике

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.

Разность потенциалов

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.

Вольтметр

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.

Потенциометр-реостат

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.

Реостатное включение

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.

Видео

Оцените статью:

Эдс, разность потенциалов и напряжение — что это и в чем разница

Разность электрических потенциалов

В этом и заключается практический смысл термина «разность потенциалов», применительно к электротехнике, электронике, и вообще — к электрическим явлениям.
И если мы говорим о какой-нибудь электрической цепи, то можем судить и о разности потенциалов между двумя точками такой цепи, если в ней в данный момент действует электростатическое поле, причем как раз потому, что рассматриваемые точки цепи будут находится одновременно и в электростатическом поле определенной напряженности.
Как было сказано выше, разность электрических потенциалов измеряется в вольтах (1 вольт = 1 Дж/1Кл).

Электростатическое поле — электрическое поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами.

Для того, чтобы электрические заряды были неподвижны, на них не должны действовать силы в тех местах, где эти заряды могли бы двигаться.

Но внутри проводников заряды могут свободно двигаться, поэтому при наличии электрического поля внутри проводников в них возникло бы движение зарядов (электрический ток).

Следовательно, заряды могут оставаться неподвижными только в том случае, если они создают такое поле, которое везде внутри проводников равно нулю, а на поверхности проводников направлено перпендикулярно к поверхности (т. к. иначе заряды двигались бы вдоль поверхности).

Для этого неподвижные заряды должны располагаться только по поверхности проводников и при том именно таким образом, чтобы электрическое поле внутри проводников было равно нулю, а на поверхности перпендикулярно к ней.

Все сказанное относится к случаю неподвижных зарядов. В случае движения зарядов, т. е. наличия токов в проводниках, в них должно существовать электрическое поле (т. к.

иначе не могли бы течь токи) и, следовательно, движущиеся заряды располагаются в проводниках, вообще говоря, не так, как неподвижные, и создают электрические поля, отличные по своей конфигурации от электростатического поля.

Но по своим свойствам электростатическое поле ничем не отличается от электрического поля движущихся зарядов.

Электрическое напряжение U

Эту работу сторонних сил как раз и называют электродвижущей силой на данном участке цепи, сокращенно — ЭДС:

Электродвижущая сила — ЭДС

Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке электрической цепи. Это будет, по сути, удельная работа сторонних сил лишь на рассматриваемом ее участке.

ЭДС гальванического элемента, к примеру, есть ни что иное, как работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда только внутри этого гальванического элемента, а именно — от одного его полюса к другому.

Чем отличается ЭДС от напряжения: простое объяснение на примере

Многие люди (в то числе и некоторые электрики) путают понятие электродвижущей силы (ЭДС) и напряжения. Хотя эти понятия имеют отличия.

Несмотря на то, что они незначительные, не специалисту сложно в них разобраться. Не маловажную роль в этом играет единица измерения. Напряжение и ЭДС измеряются в одних единицах – Вольтах.

На этом отличия не заканчиваются, подробно обо всем мы рассказали в статье!

Что такое электродвижущая сила

Подробно этот вопрос мы рассмотрели в отдельной статье: https://samelectrik.ru/chto-takoe-eds-obyasnenie-prostymi-slovami.html

Под ЭДС понимается физическая величина, характеризующая работу каких-либо сторонних сил, находящихся в источниках питания постоянного или переменного тока.

При этом, если имеется замкнутый контур, то можно сказать, что ЭДС равна работе сил по перемещению положительного заряда к отрицательному по замкнутой цепи.

Или простыми словами, ЭДС источника тока представляет работу, необходимую для перемещения единичного заряда между полюсами.

При этом если источник тока имеющего бесконечную мощность, а внутреннее сопротивление будет отсутствовать (позиция А на рисунке), то ЭДС можно рассчитать по закону Ома для участка цепи, т.к. напряжение и электродвижущая сила в этом случае равны.

I=U/R,

где U – напряжение, а в рассмотренном примере — ЭДС.

Однако, реальный источник питания имеет конечное внутреннее сопротивление. Поэтому такой расчет нельзя применять на практике. В этом случае для определения ЭДС пользуются формулой для полной цепи.

I=E/(R+r),

где E (также обозначается как «ԑ») — ЭДС; R – сопротивление нагрузки, r – внутреннее сопротивление источника электропитания, I – ток в цепи.

Однако, эта формула не учитывает сопротивление проводников цепи. При этом необходимо понимать, что внутри источника постоянного тока и во внешней цепи, ток течет в разных направлениях. Разница заключается в том, что внутри элемента он течет от минуса к плюсу, то во внешней цепи от плюса к минусу.

Это наглядно представлено на ниже приведенном рисунке:

При этом электродвижущая сила измеряется вольтметром, в случае, когда нет нагрузки, т.е. источник питания работает в режиме холостого хода.

Чтобы найти ЭДС через напряжение и сопротивление нагрузки нужно найти внутреннее сопротивление источника питания, для этого измеряют напряжение дважды при разных токах нагрузки, после чего находят внутреннее сопротивление.

Ниже приведен порядок вычисления по формулам, далее R1, R2 — сопротивление нагрузки для первого и второго измерения соответственно, остальные величины аналогично, U1, U2 – напряжения источника на его зажимах под нагрузкой.

Итак, нам известен ток, тогда он равен:
I1=E/(R1+r)
I2=E/(R2+r)
При этом:
R1=U1/I1
R2=U2/I2
Если подставить в первые уравнения, то:
I1=E/( (U1/I1)+r)
I2=E/( (U2/I2)+r)
Теперь разделим левые и правые части друг на друга:
(I1/I2)= [E/( (U1/I1)+r)]/[E/( (U2/I2)+r)]
После вычисления относительно сопротивления источника тока получим:
r=(U1-U2)/(I1-I2)
Внутреннее сопротивление r:
r= (U1+U2)/I,
где U1, U2 — напряжение на зажимах источника при разном токе нагрузки, I — ток в цепи.
Тогда ЭДС равно:
E=I*(R+r) или E=U1+I1*r

Что такое напряжение

Электрическое напряжение (обозначается как U) – это физическая величина, которая отражает количественную характеристику работы электрического поля по переносу заряда из точки А в точку В.

Соответственно напряжение может быть между двумя точками цепи, но в отличии от ЭДС оно может быть между двумя выводами какого-то из элементов цепи.

Напомним, что ЭДС характеризует работу, выполненную сторонними силами, то есть работу самого источника тока или ЭДС по переносу заряда через всю цепь, а не на конкретном элементе.

Это определение можно выразить простым языком. Напряжение источников постоянного тока – это сила, которая перемещает свободные электроны от одного атома к другому в определенном направлении.

Для переменного тока используют следующие понятия:

мгновенное напряжение — это разность потенциалов между точками в данный промежуток времени;
амплитудное значение – представляет максимальную величину по модулю мгновенного значения напряжения за промежуток времени;
среднее значение – постоянная составляющая напряжения;
среднеквадратичное и средневыпрямленное.

Напряжение участка цепи зависит от материала проводника, сопротивления нагрузки и температуры. Так же как и электродвижущая сила измеряется в Вольтах.

Часто для понимания физического смысла напряжения, его сравнивают с водонапорной башней. Столб воды отождествляют с напряжением, а поток с током.

При этом столб воды в башне постепенно уменьшается, что характеризует понижение напряжения и уменьшения силы тока.

Так в чем же отличие

Для лучшего понимания, в чем состоит разница электродвижущей силы от напряжения, рассмотрим пример. Имеется источник электрической энергии бесконечной мощности, в котором отсутствует внутреннее сопротивление. В электрической цепи смонтирована нагрузка. В этом случае будет справедливо утверждение, что ЭДС и напряжение тождественно равны, т.е между этими понятиями отсутствует разница.

Однако, это идеальные условия, которые в реальной жизни не встречаются. Эти условия используют исключительно при расчетах. В реальной жизни учитывается внутреннее сопротивление источника питания. В этом случае ЭДС и напряжение имеют отличия.

На рисунке представлено, какая разница будет в значениях электродвижущей силы и напряжении в реальных условиях. Вышеприведенная формула закона Ома для полной цепи описывает все процессы. При разомкнутой цепи на клеммах батарейки будет значение 1,5 Вольта. Это значение ЭДС. Подключив нагрузку, в данном случае это лампочка, на ней будет напряжение 1 вольт.

Разница от идеального источника заключается в наличии внутреннего сопротивления источника питания. На этом сопротивлении и происходит падение напряжения. Эти процессы описывает закон Ома для полной цепи.

Если измерительный прибор на зажимах источника электроэнергии показывает значение 1,5 Вольта, это будет электродвижущая сила, но повторим, при условии отсутствия нагрузки.

При подключении нагрузки на клеммах будет заведомо меньшее значение. Это и есть напряжение.

Вывод

Из вышесказанного можно сделать вывод, что основная разница между ЭДС и напряжением состоит:

Электродвижущая сила зависит от источника питания, а напряжение зависит от подключенной нагрузки и тока, протекающего по цепи.
Электродвижущая сила это физическая величина, характеризующая работу сторонних сил неэлектрического происхождения, происходящих в цепях постоянного и переменного тока.
Напряжение и ЭДС имеет единую единицу измерения – Вольт.
U -величина физическая, равная работе эффективного электрического поля, производимой при переносе единичного пробного заряда из точки А в точку В.

Таким образом, кратко, если представить U в виде столба воды, то ЭДС можно представить что это насос, поддерживающий уровень воды на постоянном уровне. Надеемся, после прочтения статьи Вам стало понятно основное отличие!

Материалы по теме:

Чем отличается ЭДС от напряжения

Чем отличается ЭДС (электродвижущая сила) от напряжения? Рассмотрим сразу на конкретном примере. Берем батарейку, на которой написано 1,5 вольт. Подключаем к ней вольтметр, как показано на рисунке 1, чтобы проверить, действительно ли батарейка исправна.

Рисунок 1

Вольтметр показывает 1,5 В. Значит, батарейка исправна. Подключаем ее к маленькой лампочке. Лампочка светится. Теперь параллельно лампочке подключаем вольтметр, чтобы проверить: действительно ли на лампочку приходится 1,5 В. Получается схема, показанная на рисунке 2.

Рисунок 2

И тут оказывается, что вольтметр показывает, например, 1 В. Куда потрачены 0,5 В (которые разность между 1,5 В и 1 В)?

Дело в том, что любой реальный источник питания имеет внутреннее сопротивление (обозначается буквой r).

Оно во многих случаях снижает характеристики источников питания, но изготовить источник питания вообще без внутреннего сопротивления невозможно.

Поэтому нашу батарейку можно представить как идеальный источник питания и резистор, сопротивление которого соответствует внутреннему сопротивлению батарейки (рисунок 3).

Рисунок 3
Так вот, ЭДС в данном примере – это 1,5 В, Напряжение источника питания – 1 В, а разница 0,5 В была рассеяна на внутреннем сопротивлении источника питания.

ЭДС – это максимальное количество вольт, которое источник питания может выдать в цепь. Это постоянная для исправного источника питания величина. А напряжение источника питания зависит от того, что к нему подключено. (Здесь мы говорим только о тех типах источников питания, которые изучаются в рамках школьной программы).

В нашем примере лампочка с сопротивлением R и резистор соединены последовательно, поэтому ток в цепи можно найти по формуле
И тогда напряжение на лампочке равно

Получается, чем больше сопротивление лампочки, тем больше вольт приходится на нее, и тем меньше вольт бесполезно теряется в батарейке. Это касается не только лампочки и батарейки, но и любой цепи, состоящей из источника питания и нагрузки.

Чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше разница между напряжением и ЭДС. Если сопротивление нагрузки очень большое, то напряжение практически равно ЭДС.

Сопротивление вольтметра всегда очень большое, поэтому в схеме на рисунке 1 он показал значение 1,5 В.

Пониманию смысла ЭДС мешает то, что в быту мы этот термин практически не употребляем. Мы говорим в магазине: «Дайте мне батарейку с напряжением 1,5 вольта», хотя правильно говорить: «Дайте мне батарейку с ЭДС 1,5 вольта». Но так уж повелось…

Похожая статья: чем отличается напряжение от потенциала.
—

Чем отличается ЭДС от напряжения

Интересно многие сразу поняли, в чем разница между ЭДС и напряжением? И никого не поправлял учитель (учительница) по физике, когда на практических занятиях говорил (-ла) о том, что мы подключаем именно источник ЭДС, а не напряжения? В большинстве случаев мы с вами путались, потому что и ЭДС, и напряжение измеряется в Вольтах. Так давайте все-таки разберемся, чем принципиально отличается ЭДС от напряжения.

Что такое ЭДС

Итак, для начала давайте разберемся, что такое ЭДС. Электродвижущая сила (ЭДС) — это такая физическая величина, которая характеризует работу сторонних (не потенциальных) сил в источниках переменного либо же постоянного тока.

В замкнутой цепи ЭДС — это работа сил, совершаемая для перемещения единичного заряда вдоль всего контура.

Из выше представленного определения вытекает следующее: источниками ЭДС являются силы, которые не имеют прямое отношение к электростатике, но при этом они являются силами, которые создают движение заряда в замкнутой электрической цепочке.

yandex.ru

Например, при механическом вращении обмотки ротора в электромагнитном поле, в ней будет формироваться индукционная ЭДС. При этом формирование ЭДС будет проходить в каждом витке отдельно, но при этом электродвижущая сила соседних витков будет складываться, и на выходе мы будем иметь сумму ЭДС всех витков.

Если посмотреть на аккумуляторные батареи, то в них источником ЭДС является химическая реакция.

Кроме этого источниками могут выступать так называемые элементы Пельтье, в которых ЭДС образуется при термическом нагреве.

Пьезоэффект (когда при механическом воздействии на материал на его концах образуется разность потенциалов) также относится к источникам ЭДС. Впрочем, как и фотоэффект.

yandex.ru

Из выше представленных примеров видно, что, применяя различные материалы и способы их взаимодействия, можно получить ЭДС, способную организовать упорядоченное движение заряженных частиц в замкнутом контуре.
Условно принято считать, что ЭДС — это работа в 1 Джоуль, совершаемая при перемещении заряда в 1 Кулон и измеряется в Вольтах.
ЭДС = 1Джоуль/1Кулон= 1 Вольт.
Ну а теперь давайте переключим свое внимание на напряжение.

Что такое напряжение

Итак, напряжение измеряется в аналогичных величинах, то есть в Вольтах. И напряжение — это разница потенциалов между двумя точками цепочки. Причем данные потенциалы рассматриваются только в электростатическом поле.

Получается, если мы с вами будем перемещать заряд величиной в 1 Кулон и точку №1 в точку №2, мы так же будем совершать работу в 1 Джоуль, при том условии, что разница потенциалов между точками будет равна 1 Вольт.

Вроде одно и то же, но в случае с напряжением обязательным условием является наличие электростатического поля. А откуда оно взялось? Так вот источником этого поля и является подключенный к цепи источник ЭДС.

Если провести аналогию с водонапорной башней, то можно представить следующую картинку:

yandex.ru

На картинке наглядно продемонстрирована разница между ЭДС и напряжением. В правой части жидкость перемещается за счет давления (напряжения), а в левой части за счет работы сторонних сил (электродвижущей силы).

Получается, если мы с вами возьмем любой гальванический элемент, например, батарейку и измерим с помощью мультиметра его напряжение без подключенной нагрузки, то таким образом мы получим величину ЭДС.

Если же мы с вами создадим замкнутую цепь, в которую будет включена любая нагрузка, то, измеряя напряжение на тех же выводах батарейки, мы с вами увидим уже напряжение, и оно будет несколько меньше чем величина ЭДС.

Это связано с тем, что внутри любого источника ЭДС присутствует внутреннее сопротивление и когда мы подключаем нагрузку, происходит падение напряжения не только на концах нагрузки, но и на самом внутреннем сопротивлении источника ЭДС.

Если вам понравилась статья, тогда оцените ее лайком и спасибо, что уделили свое внимание.

В чем разница между электрическим потенциалом, разностью потенциалов (pd), напряжением и электродвижущей силой (emf)? — спросисеть

В любом случае, простой ответ: ЭДС не является силой в механическом смысле. Он измеряет объем работы, которую необходимо проделать, чтобы единичный заряд перемещался по замкнутому контуру проводящего материала.

Давайте сделаем это более понятным. В статическом случае (игнорируя изменение во времени любого магнитного поля), электрическое поле в точке может быть получено исключительно из скаляра как отрицательное значение градиента этого скаляра. Этот скаляр в любой точке называется «электрическим потенциалом» в этой точке.

Если две точки имеют разные потенциалы, мы говорим, что существует разность потенциалов. Очевидно, что разница в потенциалах, а не их абсолютные значения. Поэтому можно произвольно присвоить нулевое значение для некоторой фиксированной точки, потенциал которой можно считать постоянной, и сравнить потенциалы других точек по отношению к ней.

Таким образом, не нужно всегда говорить о разности потенциалов, а просто о потенциалах.

Теперь, часто этот «электрический потенциал» в некоторой точке в проводнике или диэлектрике называют «напряжением» в этой точке, назначая значение напряжения равным нулю для земли, поскольку потенциал земли постоянен для всех практических целей.
Если нет изменений магнитного поля, то работа, выполненная единичным зарядом в замкнутом контуре, будет 0 0 , Но если магнитное поле меняется, то оно будет отличным от нуля. Напомним формулу:
∇ × E = — ∂ В ∂ T , ∇ × Е знак равно — ∂ В ∂ T ,

На самом деле это означает, что электрическое поле, полученное исключительно из скалярного потенциала, не может поддерживать электрический ток в замкнутой цепи. Таким образом, эдс подразумевает наличие какого-то источника, отличного от источника, который может производить только скалярный потенциал.

Следующее уравнение рассказывает всю историю:

Е = — ∇ ϕ — ∂ ∂ T , Е знак равно — ∇ φ — ∂ ∂ T ,

где φ φ скалярный потенциал и это векторный потенциал. Рон Маймон

Люди иногда отрицают не потому, что вы не правы, а потому, что вы повторяете ответы других людей, не добавляя ничего нового.

ganzewoort

sb1, ваше объяснение снова не в состоянии объяснить ЭДС разомкнутой цепи. Что еще интереснее, мне любопытно услышать ваше объяснение того, как закон Фарадея, о котором вы говорите, учитывает падение напряжения, измеренное на однополярном генераторе. Возможно, это отдельный вопрос, который нужно задать в stackexchange.

ganzewoort

Я согласен со скалярным потенциалом (я думаю, вы очень хорошо это объяснили и не повторяете того, что было сказано до сих пор). Однако скалярный потенциал — это всего лишь математическая конструкция, созданная для удобства, которая не присуща явлениям. Я добавляю отдельный вопрос относительно однополярного генератора.

19. Эдс, разность потенциалов и напряжение

Электродвижущая
сила (ЭДС) —
скалярная физическая
величина,
характеризующая работу сторонних (н
епотенциальных) сил висточниках постоянного
или переменного тока. В замкнутом
проводящем контуре ЭДС равна работе этих
сил по перемещению единичного
положительного заряда вдоль
контура.

ЭДС
можно выразить через напряжённость
электрического поля сторонних
сил ().
В замкнутом контуре ()
тогда ЭДС будет равна:

,
где —
элемент длины контура.

Причиной
электродвижущей силы может стать
изменение магнитного
поля в
окружающем пространстве. Это явление
называетсяэлектромагнитной
индукцией.
Величина ЭДС индукции в контуре
определяется выражением

где — поток
магнитного поля через
замкнутую поверхность ,
ограниченную контуром. Знак «−» перед
выражением показывает, что индукционный
ток, созданный ЭДС индукции, препятствует
изменению магнитного потока в контуре
(см. правило
Ленца).

Электрическое
напряжение между двумя точками
электрической цепи или электрического
поля, равно работе электрического поля
по перемещению единичного положительного
заряда из одной точки в другую. В
потенциальном электрическом поле эта
работа не зависит от пути, по которому
перемещается заряд; в этом случае Э. н.
между двумя точками совпадает с разностью
потенциалов между ними.

Если поле
непотенциально, то напряжение зависит
от того пути, по которому перемещается
заряд между точками. Непотенциальные
силы, называются сторонними, действуют
внутри любого источника постоянного
тока (генератора, аккумулятора,
гальванического элемента и др.).

Под
напряжением на зажимах источника тока
всегда понимают работу электрического
поля по перемещению единичного
положительного заряда вдоль пути,
лежащего вне источника; в этом случае
Э. н. равно разности потенциалов на
зажимах источника и определяется законом
Ома: U = IR—E, где I — сила тока, R — внутреннее
сопротивление источника, а E — его
электродвижущая сила (эдс).

При разомкнутой
цепи (I = 0) напряжение по модулю равно
эдс источника. Поэтому эдс источника
часто определяют как Э. н. на его зажимах
при разомкнутой цепи.

В случае переменного
тока Э. н. обычно характеризуется
действующим (эффективным) значением,
которое представляет собой среднеквадратичное
за период значение напряжения.

Напряжение
на зажимах источника переменного тока
или катушки индуктивности измеряется
работой электрического поля по перемещению
единичного положительного заряда вдоль
пути, лежащего вне источника или катушки.

Вихревое (непотенциальное) электрическое
поле на этом пути практически отсутствует,
и напряжение равно разности потенциалов.

Электродвижущая
сила (ЭДС) — физическая величина,
характеризующая работу сторонних
(непотенциальных) сил в источниках
постоянного или переменного тока. В
замкнутом проводящем контуре ЭДС равна
работе этих сил по перемещению единичного
положительного заряда вдоль контура.

Наименование и
обозначение производной единицы СИ:
международное
– volt,
V
русское
– вольт,
В
Выражение через
основные и производные единицы СИ:
1 V = 1 W / A

В чем основная разница между напряжением, эдс и разностью потенциалов?

В нескольких концепциях электричества идею «напряжения» или «электрического потенциала», вероятно, труднее всего понять. Это также очень сложно объяснить. Это головная боль и для ученика, и для учителя. Чтобы понять напряжение, полезно сначала немного понять его ближайшего родственника — магнетизм.

«электростатическое поле» или «электронное поле». Этот второй тип поля очень похож на магнетизм. Он невидим, у него есть линии потока, и он может притягивать и отталкивать объекты. Однако это не магнетизм, это нечто отдельное. Это напряжение.

Большинство людей знают о магнитных полях, но не об электронных полях или «полях напряжения». Частично это объясняется тем, что магнетизм объясняется в школе, но по некоторым причинам поля напряжения скрыты под названием «статическое электричество». Электронные поля никогда не упоминаются в научных учебниках для начинающих.

Это странно, так как напряжение и «статическое электричество» идут вместе. Всякий раз, когда отрицательный заряд притягивает положительный заряд, между зарядами должны существовать невидимые поля напряжения. Напряжение вызывает притяжение между противоположными зарядами; поля напряжения достигают пространства.

В действительности, «статическое» электричество не имеет ничего общего с движением (или со статичностью). Вместо этого статическое электричество связано с высоким напряжением. Разденьте коврик, и вы зарядите свое тело до нескольких тысяч вольт.

Когда вы снимаете шерстяной носок с сушилки для белья, и все волокна выходят наружу, волокна следуют за невидимыми линиями напряжения в воздухе. Волокна ткани — это «железные опилки», которые делают рисунки напряжения видимыми.

И всякий раз, когда заряды внутри проводника вынуждены течь, они движутся только потому, что их движет поле напряжения, которое проходит по длине провода. Электронные поля вызывают ускорение заряда: напряжение вызывает ток. Напряжение вызывает осушение, но оно также вызывает электрические токи в проводах.

Другой способ сказать это: токи в электрических цепях вызваны «статическим электричеством», а «статическое электричество» не обязательно является статическим. Связь между напряжением и «статическим» электричеством плохо объяснена в книгах, и это одна из главных причин, почему напряжение кажется таким сложным и загадочным.

Простая математика за «напряжением» Чтобы быть более конкретным, «Напряжение» — это способ использования чисел для описания электрического поля. Электрические поля или «электронные поля» измеряются в вольтах на расстоянии; вольт на сантиметр например.

Более сильное электронное поле имеет больше вольт на сантиметр, чем более слабое. Напряжение и электронные поля в основном одно и то же: если электронные поля похожи на склон горы, то вольт похож на различные высоты каждой отдельной точки на горе.

Склон горы может заставить валун начать катиться. То же самое можно сказать о разной высоте разных точек на горе, это просто еще один способ описать одно и то же.

Электронное поле можно рассматривать в терминах сложенных слоев эквипотенциальных поверхностей или в виде совокупностей линий потока. «Напряжение» и «силовые линии» — два способа описать одну и ту же базовую концепцию.

Когда у вас есть электронные поля, у вас есть напряжение. Электронные поля могут существовать в воздухе, как и напряжение. Всякий раз, когда у вас есть высокое напряжение на коротком расстоянии, у вас есть сильные электронные поля. Всякий раз, когда электронное поле притягивает или отталкивает объект, мы можем сказать, что объект управляется напряжением в пространстве вокруг объекта. магнетизм — это «то, что включает в себя магнитные поля», тогда что такое «то, что включает в себя электрические поля»?

Вольтаж!

Возьмите несколько гвоздей с помощью магнита, и это пример магнетизма, затем возьмите несколько кусочков бумаги с натертым мехом воздушным шаром, и это пример напряжения. Какие три вида невидимых полей? Гравитация, магнетизм … и напряжение!

Возможно, нам следует изменить слово «Электромагнетизм» на «Напряжение магнетизма»? (Оскал!)

просто … Мы определяем напряжение как количество потенциальной энергии между двумя точками в цепи. Одна точка имеет больше заряда, чем другая. Эта разница в заряде между двумя точками называется напряжением и учитывает резервуар для воды на определенной высоте над землей. На дне этого бака есть шланг.

При описании напряжения, тока и сопротивления распространенной аналогией является резервуар для воды. В этой аналогии заряд представлен количеством воды, напряжение представлено давлением воды, а ток представлен потоком воды. Так что для этой аналогии, помните:

Water = ChargePressure = VoltageFlow = ТекущийЭлектромоторная сила

Что такое электродвижущая сила? Разность потенциалов между двумя выводами ячейки называется электродвижущей силой в разомкнутой цепи. Электродвижущая сила всегда больше разности потенциалов. Электродвижущая сила не зависит от сопротивления цепи. Электродвижущая сила создает разность потенциалов во всей цепи.

Электродвижущая сила

У этого термина существуют и другие значения, см. Сила (значения).

Классическая электродинамика

Электричество · Магнетизм

Электростатика
Закон Кулона Теорема Гаусса Электрический дипольный момент Электрический заряд Электрическая индукция Электрическое поле Электростатический потенциал

Магнитостатика
Закон Био — Савара — Лапласа Закон Ампера Магнитный момент Магнитное поле Магнитный поток Магнитная индукция

Электродинамика
Векторный потенциал Диполь Потенциалы Лиенара — Вихерта Сила Лоренца Ток смещения Униполярная индукция Уравнения Максвелла Электрический ток Электродвижущая сила Электромагнитная индукция Электромагнитное излучение Электромагнитное поле

Электрическая цепь
Закон Ома Законы Кирхгофа Индуктивность Радиоволновод Резонатор Электрическая ёмкость Электрическая проводимость Электрическое сопротивление Электрический импеданс

Ковариантная формулировка
Тензор электромагнитного поля Тензор энергии-импульса 4-потенциал 4-ток

Известные учёные
Генри Кавендиш Майкл Фарадей Никола Тесла Андре-Мари Ампер Густав Роберт Кирхгоф Джеймс Клерк Максвелл Оливер Хевисайд Генрих Рудольф Герц Альберт Абрахам Майкельсон Роберт Эндрюс Милликен

См. также: Портал:Физика

Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил (то есть любых сил, кроме электростатических и диссипативных) действующих в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура[1][2].

По аналогии с напряжённостью электрического поля вводят понятие напряжённость сторонних сил

E
→

e
x

{displaystyle {vec {E}}_{ex}}

, под которой понимают векторную физическую величину, равную отношению сторонней силы, действующей на пробный электрический заряд к величине этого заряда. Тогда в замкнутом контуре

{displaystyle L}

ЭДС будет равна:

∮

⁡

E
→

e
x

⋅

d
l

→

{displaystyle {mathcal {E}}=oint limits _{L}{vec {E}}_{ex}cdot {vec {dl}},}

где

d
l

→

{displaystyle {vec {dl}}}

— элемент контура.

ЭДС так же, как и напряжение, в Международной системе единиц (СИ) измеряется в вольтах.
Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке.

ЭДС гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории.

Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами источника тока вне самого́ источника равна нулю.

Эдс и закон ома

Электродвижущая сила источника связана с электрическим током, протекающим в цепи, соотношениями закона Ома. Закон Ома для неоднородного участка цепи имеет вид[1]:

−

=
I
R
,

{displaystyle varphi _{1}-varphi _{2}+{mathcal {E}}=IR,}

где

−

{displaystyle varphi _{1}-varphi _{2}}

— разность между значениями потенциала в начале и в конце участка цепи,

{displaystyle I}

— сила тока, текущего по участку, а

{displaystyle R}

— сопротивление участка.

Если точки 1 и 2 совпадают (цепь замкнута), то

−

=
0

{displaystyle varphi _{1}-varphi _{2}=0}

и предыдущая формула переходит в формулу закона Ома для замкнутой цепи[1]:

=
I
R
,

{displaystyle {mathcal {E}}=IR,}

где теперь

{displaystyle R}

— полное сопротивление всей цепи.

В общем случае полное сопротивление цепи складывается из сопротивления внешнего по отношению к источнику тока участка цепи (

{displaystyle R_{e}}

) и внутреннего сопротивления самого́ источника тока (

{displaystyle r}

). С учётом этого следует:

=
I

+
I
r
.

{displaystyle {mathcal {E}}=IR_{e}+Ir.}

Эдс источника тока

Если на участке цепи не действуют сторонние силы (однородный участок цепи) и, значит, источника тока на нём нет, то, как это следует из закона Ома для неоднородного участка цепи, выполняется:

−

=
I
R
.

{displaystyle varphi _{1}-varphi _{2}=IR.}

Значит, если в качестве точки 1 выбрать анод источника, а в качестве точки 2 — его катод, то для разности между потенциалами анода

{displaystyle varphi _{a}}

и катода

{displaystyle varphi _{k}}

можно записать:

−

=
I

{displaystyle varphi _{a}-varphi _{k}=IR_{e},}

где как и ранее

{displaystyle R_{e}}

— сопротивление внешнего участка цепи.

Из этого соотношения и закона Ома для замкнутой цепи, записанного в виде

=
I

+
I
r

{displaystyle {mathcal {E}}=IR_{e}+Ir}

нетрудно получить

−

+
r

{displaystyle {frac {varphi _{a}-varphi _{k}}{mathcal {E}}}={frac {R_{e}}{R_{e}+r}}}

и затем

−

+
r

{displaystyle varphi _{a}-varphi _{k}={frac {R_{e}}{R_{e}+r}}{mathcal {E}}.}

Из полученного соотношения следуют два вывода:

Во всех случаях, когда по цепи течёт ток, разность потенциалов между клеммами источника тока
φ
a
−
φ
k
{displaystyle varphi _{a}-varphi _{k}}
меньше, чем ЭДС источника.
В предельном случае, когда
R
e
{displaystyle R_{e}}
бесконечно (цепь разорвана), выполняется
E
=
φ
a
−
φ
k
.
{displaystyle {mathcal {E}}=varphi _{a}-varphi _{k}.}

Таким образом, Эдс источника тока равна разности потенциалов между его клеммами в состоянии, когда источник отключён от цепи[1].

Эдс индукции

Причиной возникновения электродвижущей силы в замкнутом контуре может стать изменение потока магнитного поля, пронизывающего поверхность, ограниченную данным контуром. Это явление называется электромагнитной индукцией. Величина Эдс индукции в контуре определяется выражением

=
−

d
Φ

d
t

{displaystyle {mathcal {E}}=-{frac {dPhi }{dt}},}

где

{displaystyle Phi }

— поток магнитного поля через замкнутую поверхность, ограниченную контуром.

Знак «−» перед выражением показывает, что индукционный ток, созданный Эдс индукции, препятствует изменению магнитного потока в контуре (см. правило Ленца).

В свою очередь причиной изменения магнитного потока может быть как изменение магнитного поля, так и движение контура в целом или его отдельных частей.

Неэлектростатический характер ЭДС

Внутри источника ЭДС ток течёт в направлении, противоположном нормальному.

Это невозможно без дополнительной силы неэлектростатической природы, преодолевающей силу электрического отталкивания

Как показано на рисунке, электрический ток, нормальное направление которого — от «плюса» к «минусу», внутри источника ЭДС (например, внутри гальванического элемента) течёт в противоположном направлении.

Направление от «плюса» к «минусу» совпадает с направлением электростатической силы, действующей на положительные заряды.

Поэтому для того, чтобы заставить ток течь в противоположном направлении, необходима дополнительная сила неэлектростатической природы (центробежная сила, сила Лоренца, силы химической природы, сила со стороны вихревого электрического поля) которая бы преодолевала силу со стороны электростатического поля. Диссипативные силы, хотя и противодействуют электростатическому полю, не могут заставить ток течь в противоположном направлении, поэтому они не входят в состав сторонних сил, работа которых используется в определении ЭДС.

Сторонние силы

Сторонними силами называются силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля.

Например, в гальваническом элементе или аккумуляторе сторонние силы возникают в результате электрохимических процессов, происходящих на границе соприкосновения электрода с электролитом; в электрическом генераторе постоянного тока сторонней силой является сила Лоренца[3].

См. также

Правила Кирхгофа

Примечания

↑ 1 2 3 4 Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит, МФТИ, 2004. — Т. III. Электричество. — С. 193—194. — 656 с. — ISBN 5-9221-0227-3.
↑ Калашников С. Г. Общий курс физики. — М.: Гостехтеориздат, 1956. — Т. II. Электричество. — С. 146, 153. — 664 с.
↑ Кабардин О. Ф. Физика. — М., Просвещение, 1985. — Тираж 754 000 экз. — с. 131

В этой статье не хватает ссылок на источники информации.Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.Эта отметка установлена 19 июня 2018 года.

Понятие силы тока, ЭДС и разности потенциалов?

Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц (тел). За направление движение электрического тока условно принимают направление движения положительных зарядов. Проходящий через какую-то поверхность электрический ток характеризуется силой тока I. Сила тока является скалярной величиной, численно равная количеству электричества, проходящего через площадь S за единицу времени:

Если за любые равные промежутки времени через любое сечение проводника проходит одинаковое количество электричества с неизменным направлением зарядов, то такой ток называется постоянным:

Сила тока в Международной системе единиц (СИ) является основной и носит название Ампер. Из уравнения (1а) следует определение единицы заряда:

В системе СГС сила тока измеряется в СГС_I, согласно (1а) получим:

Распределение электрического тока по сечению проводника характеризуют плотностью тока, которую можно выразить формулой:

В случае постоянного тока его плотность будет одинакова и равна:

Плотность тока j является векторной величиной, направленной вдоль тока и численно равная количеству электричества, протекающему через единицу площади, ориентированной перпендикулярно направлению протекания тока, за единицу времени, в системе СИ плотность тока измеряют в А/м².

Важно отметить, что различают несколько видов электрического тока. Предположим, что в пространстве перемещается какое-то заряженное макроскопическое тело (шар, например). Поскольку вместе с этим телом будут перемещаться и заряды, то возникнет направленное движение электрических зарядов – электрический ток. Электрический ток, связанный с движением заряженных макроскопических тел называют конвекционным.

Если огромное количество заряженных частиц упорядоченно перемещаются внутри какого-нибудь тела вследствие того, что в нем создано электрическое поле, то данное явление будет носить название ток проводимости. Для его получения необходимо наличие источника тока и замкнутой цепи. Вектор напряженности поля Е имеет направление от положительного заряда к отрицательному. Отсюда следует, что находящиеся внутри проводника отрицательные заряженные частицы будут двигаться против поля, а положительные – по полю.

Если электрические заряды движутся под влиянием внешнего поля в вакууме, то данное явление называют электрический ток в вакууме.

Более детально остановимся на отдельных закономерностях, которые больше характерны для тока проводимости.

Представим, что на концах определенного проводника длиной l существует разность потенциалов Δφ = φ₁ – φ₂, которая создает внутри этого проводника электрическое поле Е, направленное в сторону падения потенциала (рисунок ниже):

Согласно формуле:

При этом в проводнике возникнет электрический ток, который будет идти от большего потенциала (φ₁) к меньшему (φ₂).

Движение зарядов от φ₁ к φ₂приводит к выравниванию потенциалов во всех точках. При этом в проводнике исчезает электрическое поле, и протекание электрического тока прекращается. Отсюда следует, что обязательным условием существования электрического тока является наличие разности потенциалов Δφ = φ₁ – φ₂ ≠ 0, а для его поддержания необходимо специальное устройство, которое будет поддерживать данную разницу потенциалов. Это устройство называют источник тока.

В качестве источников тока могут использовать электрические генераторы, аккумуляторы, термоэлементы и гальванические элементы. Источник тока также выполняет еще одну задачу – замыкает электрическую цепь, по которой и осуществляется непрерывное движение заряженных частиц. Электрический ток протекает по внутренней части – источнику тока, и внешней – проводнику. В источнике тока имеется два полюса – положительный с более высоким потенциалом и отрицательный с более низким потенциалом. При разомкнутой внешней цепи на положительном полюсе источника образуется недостаток электронов, а на отрицательном наоборот – переизбыток. В источнике тока разделение зарядов производят с помощью сторонних сил – направленных против кулоновских сил, действующих на разноименные заряды в проводниках самого источника тока. Сторонние силы могут иметь самое различное происхождение – химическое, биологическое, тепловое, механическое и другое.

Если электрическая цепь замкнута, то по ней протекает электрический ток и при этом совершается работа сторонних сил. Данная работа складывается из работы, совершаемой внутри самого источника тока против сил электрического поля (А_ист), и работы, совершаемой против механических сил сопротивления среды источника (А^/), то есть:

Электродвижущая сила источника тока – это величина, которая равна отношению работы, совершаемой сторонними силами при перемещении положительного точечного заряда вдоль всей электрической цепи, включая и источник тока, к заряду:

По определению работа против сил электрического поля равна:

А^/ = 0 если полюсы источника разомкнуты, и тогда из формулы (5) следует:

Отсюда следует, что электродвижущая сила источника тока при разомкнутой внешней цепи будет равна разности потенциалов на его полюсах.

Потенциал. Разность потенциалов — презентация онлайн

2. Потенциальная энергия

в случае разноименных
зарядов
в случае одноименных
зарядов
можно объединить в одну формулу, если взять вместо
модулей зарядов их алгебраические значения
Знак потенциальной энергии автоматически получится правильным

3. Потенциальная энергия

Если заряды q1 и q2 имеют
одинаковые знаки, то
потенциальная энергия их
взаимодействия
положительна
Если заряды q1 и q2 имеют
разные знаки, то
потенциальная энергия их
взаимодействия
отрицательна

4. Потенциальная энергия

Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле
пропорциональна самому заряду
Отношение потенциальной энергии к заряду не зависит от
помещенного в поле заряда
— потенциальная энергия заряда q2 в поле точечного
заряда q1
можно ввести новую физическую величину
ПОТЕНЦИАЛ

5. Потенциал

Потенциал электростатического поля в данной точке –
скалярная физическая величина, равная отношению
потенциальной энергии, которой обладает пробный
положительный заряд, помещенный в данную точку поля, к
величине этого заряда
ПОТЕНЦИАЛ
— ϕ

6. Потенциал

E
– напряженность электростатического поля = вектор
силовая характеристика поля
определяет силу, действующую на заряд q в данной
точке поля
ϕ
– потенциал электростатического поля = скаляр
энергетическая характеристика поля
определяет потенциальную энергию заряда q в
данной точке поля

7. Потенциал

Потенциал поля точечного заряда
В этой формуле
потенциал на
бесконечности выбран
нулевым, поэтому при
q > 0 ϕ > 0, а при q
ϕ

8. Потенциал

Единица измерения потенциала
1В = 1 Вольт = 1 Дж/1 Кл

9. Разность потенциалов

Разность потенциалов
∆ϕ = ϕ1 – ϕ2
ϕ1 , ϕ2 — потенциал в точках 1 и 2
Работа силы электростатического поля равна произведению
величины перемещаемого заряда на разность потенциалов
в начальной и конечной точках
Aq= q(ϕ1 – ϕ2)

10. Разность потенциалов

Разность потенциалов
напряжение
U= ϕ1 – ϕ2
Aq= qU

11. Разность потенциалов

Разность потенциалов
напряжение
U= ϕ1 – ϕ2
Aq= qU

12. Потенциал

Единица измерения разности потенциалов
1В = 1 Вольт = 1 Дж/1 Кл

13. Разность потенциалов

Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками
равна отношению работы поля при перемещении заряда
из начальной точки в конечную к этому заряду

14. Разность потенциалов

Разность потенциалов в однородном
электростатическом поле между двумя
точками, находящимися на расстоянии d
друг от друга вдоль линии напряженности:

15. Задания

Контактные явления, контактная разность потенциалов

Работа выхода в металлах

В металлах, согласно электронной теории проводимости, свободные электроны находятся в состоянии постоянного хаотичного теплового движения. Однако при нормальных температурах они не покидают металл. У поверхности металла существует задерживающее электрическое поле. Чтобы вылететь из металла электрон должен совершить работу по преодолению задерживающих сил. Эта работа называется работой выхода.

Работа выхода

Работа выхода — работа, которую должен совершить электрон, чтобы выйти из металла.

Формула для работы выхода:

A=eU,

где e — заряд электрона, U — разность потенциалов между точками в металле и за пределами задерживающего слоя.

Работа выхода измеряется в электронвольтах.

Электронвольт — внесистемная единица измерения, равная энергии, которую приобретает электрон при движении между двумя точками с разностью потенциалов в 1 Вольт.

Как у поверхности металла образуется задерживающее поле?

Вследствие теплового движения электроны с поверхности металла могут отрываться и образуют над поверхностью электронное облако.
На местах покинувших металл электронов образуются положительные ионы. По закону Кулона, они стремяться вернуть покинувшие металл электроны обратно.

В результате у поверхности металла образуется двойной электрический слой.

В вакууме за пределами задерживающего слоя поле отсутствует, поэтому формула для работы выхода запишется в виде:

A=eφ,

где φ — потенциал выхода, равный потенциалу поля внутри металла.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Контактная разность потенциалов

Явление контактной разности потенциалов в 1797 году открыл Алессандро Вольта (1745 -1827).

Контактная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов — разность потенциалов, которая возникает при контакте поверхностей двух разных металлов.

Разность потенциалов, возникающая при контакте двух разных металлов, зависит от их химического состава и температуры.
Если цепь составлена из нескольких разных проводников при одинаковой температуре, контактная разность потенциалов определяется только контактной разностью между крайними проводниками.

Причины возникновения контактной разности потенциалов:

Разная работа выхода для разных металлов.
Разная концентрация свободных электронов в разных металлах.

Схематически рассмотрим контакт двух металлов. Пусть у металла 1 работа выхода больше, чем у металла 2, и в металле 1 концентрация свободных электронов больше.

Между точками a и b, лежащими рядом с поверхностью, но не принадлежащими проводнику, возникает внешняя контактная разность потенциалов.

Электроны диффундируют из одного металла в другой, при этом из металла 1 в металл 2 уходит больше электронов, так как n1>n2. В результате металл 1 приобретает положительный, а металл 2 — отрицательный заряд. Возникшая разность потенциалов называется внутренней контактной разностью потенциалов.

3.2 Электрический потенциал и разность потенциалов — Введение в электричество, магнетизм и схемы

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

К концу этого раздела вы сможете:

Определение электрического потенциала, напряжения и разности потенциалов
Определите электрон-вольт
Вычислить электрический потенциал и разность потенциалов на основе потенциальной энергии и электрического поля
Опишите системы, в которых электрон-вольт является полезной единицей
Применение экономии энергии в электрических системах

Напомним, что ранее мы определили электрическое поле как величину, не зависящую от пробного заряда в данной системе, что, тем не менее, позволяет нам вычислить силу, которая возникнет в результате произвольного пробного заряда.(При отсутствии другой информации по умолчанию предполагается, что тестовый заряд положительный.) Мы кратко определили поле для гравитации, но гравитация всегда притягивает, тогда как электрическая сила может быть либо притягивающей, либо отталкивающей. Следовательно, хотя потенциальная энергия вполне достаточна в гравитационной системе, удобно определить величину, которая позволяет нам вычислить работу над зарядом независимо от величины заряда. Непосредственный расчет работы может быть затруднен, поскольку направление и величина могут быть сложными для нескольких зарядов, для объектов неправильной формы и вдоль произвольных путей.Но мы знаем это, потому что работа и, следовательно, пропорциональна испытательному заряду. Чтобы получить физическую величину, не зависящую от испытательного заряда, мы определяем электрический потенциал (или просто потенциал, поскольку понимается электрический) как потенциальную энергию на единицу заряда:

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ

Потенциальная электрическая энергия на единицу заряда

(3.2.1)

Поскольку U пропорционален q, зависимость от q отменяется.Таким образом, не зависит от. Изменение потенциальной энергии имеет решающее значение, поэтому нас беспокоит разность потенциалов или разность потенциалов между двумя точками, где

РАЗНИЦА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ

Знакомый термин напряжение — это общее название разности электрических потенциалов. Имейте в виду, что всякий раз, когда указывается напряжение, под ним понимается разность потенциалов между двумя точками. Например, каждая батарея имеет две клеммы, а ее напряжение — это разность потенциалов между ними.По сути, точка, которую вы выбираете как ноль вольт, произвольна. Это аналогично тому факту, что гравитационная потенциальная энергия имеет произвольный ноль, например, на уровне моря или, возможно, на полу лекционного зала. Стоит подчеркнуть различие между разностью потенциалов и электрической потенциальной энергией.

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ РАЗНИЦА И ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ

Связь между разностью потенциалов (или напряжением) и электрической потенциальной энергией определяется по

(3.2.2)

Напряжение — это не то же самое, что энергия. Напряжение — это энергия на единицу заряда. Таким образом, аккумулятор мотоцикла и автомобильный аккумулятор могут иметь одинаковое напряжение (точнее, одинаковую разность потенциалов между клеммами аккумулятора), но при этом один хранит гораздо больше энергии, чем другой, потому что. Автомобильный аккумулятор может заряжаться больше, чем аккумулятор мотоцикла, хотя оба являются аккумуляторами.

ПРИМЕР 3.2.1

Расчет энергии

У вас есть аккумулятор для мотоцикла, который может заряжаться, и автомобильный аккумулятор, который может заряжаться.Сколько энергии дает каждый? (Предположим, что числовое значение каждого заряда соответствует трем значащим цифрам.)

Стратегия

Сказать, что у нас есть аккумулятор, означает, что на его выводах есть разность потенциалов. Когда такая батарея перемещает заряд, она пропускает заряд через разность потенциалов, и заряд получает изменение потенциальной энергии, равное. Чтобы найти выход энергии, мы умножаем перемещенный заряд на разность потенциалов.

Решение

Для аккумуляторной батареи мотоцикла, и.Суммарная энергия, отдаваемая аккумулятором мотоцикла, составляет

единиц.

Аналогично для автомобильного аккумулятора, а

Значение

Напряжение и энергия связаны, но это не одно и то же. Напряжения батарей одинаковы, но энергия, подаваемая каждым из них, совершенно разная. Автомобильный аккумулятор требует запуска гораздо более мощного двигателя, чем мотоцикл. Также обратите внимание, что когда аккумулятор разряжен, часть его энергии используется внутри, а напряжение на его клеммах падает, например, когда фары тускнеют из-за разряда автомобильного аккумулятора.Энергия, подаваемая батареей, по-прежнему рассчитывается, как в этом примере, но не вся энергия доступна для внешнего использования.

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 3.4

Сколько энергии у батарейки AAA, которая может двигаться?

Обратите внимание, что энергии, вычисленные в предыдущем примере, являются абсолютными значениями. Изменение потенциальной энергии для аккумулятора отрицательное, так как он теряет энергию. Эти батареи, как и многие другие электрические системы, действительно перемещают отрицательный заряд — в частности, электроны.Батареи отталкивают электроны от своих отрицательных выводов () через любую задействованную схему и притягивают их к своим положительным выводам (), как показано на рисунке 3.2.1. Изменение потенциала равно отрицательному заряду, то есть отрицательному, что означает, что потенциальная энергия аккумулятора уменьшилась при переходе от к.

(рисунок 3.2.1)

Рисунок 3.2.1. Аккумулятор перемещает отрицательный заряд от отрицательной клеммы через фару к ее положительной клемме.Соответствующие комбинации химических веществ в батарее разделяют заряды, так что отрицательный вывод имеет избыток отрицательного заряда, который отталкивается им и притягивается к избыточному положительному заряду на другом выводе. С точки зрения потенциала положительный вывод имеет более высокое напряжение, чем отрицательный. Внутри аккумулятора движутся как положительные, так и отрицательные заряды.

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 3.5

Сколько электронов прошло бы через лампу?

Электрон-вольт

На рисунке 3.2.2 показана ситуация, связанная с определением такой единицы энергии.Электрон ускоряется между двумя заряженными металлическими пластинами, как это могло бы быть в телевизионной лампе или осциллографе старой модели. Электрон приобретает кинетическую энергию, которая позже преобразуется в другую форму — например, в свет в телевизионной трубке. (Обратите внимание, что с точки зрения энергии, «спуск» электрона означает «подъем» для положительного заряда.) Поскольку энергия связана с напряжением соотношением, мы можем рассматривать джоуль как кулон-вольт.

(рисунок 3.2.2)

Рис. 3.2.2. Типичная электронная пушка ускоряет электроны, используя разность потенциалов между двумя отдельными металлическими пластинами.По закону сохранения энергии кинетическая энергия должна равняться изменению потенциальной энергии, поэтому. Энергия электрона в электрон-вольтах численно равна напряжению между пластинами. Например, разность потенциалов производит электроны. Концептуальная конструкция, а именно две параллельные пластины с отверстием в одной, показана на (a), а реальная электронная пушка показана на (b).

ЭЛЕКТРОН-ВОЛЬТ

В субмикроскопическом масштабе удобнее определять единицу энергии, называемую электрон-вольт (эВ) , которая представляет собой энергию, передаваемую фундаментальному заряду, ускоренному через разность потенциалов.В форме уравнения

Электрону, ускоренному через разность потенциалов, придается энергия. Отсюда следует, что электрон ускоряется за счет усиления. Разность потенциалов () дает электрону энергию () и так далее. Точно так же ион с двойным положительным зарядом ускоряется за счет увеличения энергии. Эти простые соотношения между ускоряющим напряжением и зарядами частиц делают электрон-вольт простой и удобной единицей энергии в таких обстоятельствах.

Электрон-вольт обычно используется в субмикроскопических процессах — химические валентные энергии, молекулярные и ядерные энергии связи входят в число величин, часто выражаемых в электрон-вольтах. Например, для расщепления определенных органических молекул требуется около энергии. Если протон ускоряется из состояния покоя через разность потенциалов, равную (), он приобретает энергию () и может разбить любое количество этих молекул (на молекулу молекул). Энергия ядерного распада составляет порядка () на событие и, таким образом, может привести к значительному биологическому ущербу.

Сохранение энергии

Полная энергия системы сохраняется, если нет чистого прибавления (или вычитания) из-за работы или теплопередачи. Для консервативных сил, таких как электростатическая сила, закон сохранения энергии утверждает, что механическая энергия постоянна.

Механическая энергия — это сумма кинетической энергии и потенциальной энергии системы; это, . Потеря для заряженной частицы становится увеличением ее. Сохранение энергии выражается в форме уравнения как

или

где и обозначают начальные и конечные условия.Как мы уже много раз выясняли, учет энергии может дать нам понимание и облегчить решение проблем.

ПРИМЕР 3.2.3

Электрическая потенциальная энергия, преобразованная в кинетическую энергию

Рассчитайте конечную скорость свободного электрона, ускоренного из состояния покоя через разность потенциалов. (Предположим, что это числовое значение имеет точность до трех значащих цифр.)

Стратегия

У нас есть система, в которой действуют только консервативные силы. Предполагая, что электрон ускоряется в вакууме, и пренебрегая гравитационной силой (мы проверим это предположение позже), вся электрическая потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию.Мы можем идентифицировать начальную и конечную формы энергии как,,,.

Решение

Сохранение энергии утверждает, что

Вводя указанные выше формы, получаем

Решаем это для:

Ввод значений для, и дает

Значение

Обратите внимание, что и заряд, и начальное напряжение отрицательны, как показано на рисунке 3.2.2.Из обсуждения электрического заряда и электрического поля мы знаем, что электростатические силы, действующие на мелкие частицы, обычно очень велики по сравнению с силой тяжести. Большая конечная скорость подтверждает, что гравитационная сила здесь действительно незначительна. Большая скорость также указывает на то, насколько легко ускорить электроны с помощью малых напряжений из-за их очень малой массы. В электронных пушках обычно используются напряжения намного выше, чем в этой задаче. Эти более высокие напряжения вызывают настолько большие скорости электронов, что необходимо учитывать эффекты специальной теории относительности, и поэтому они выходят за рамки этого учебника.Вот почему в этом примере мы рассматриваем низкое напряжение (точно).

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 3.6

Как этот пример изменится с позитроном? Позитрон идентичен электрону, за исключением того, что заряд положительный.

Напряжение и электрическое поле

Итак, мы исследовали взаимосвязь между напряжением и энергией. Теперь мы хотим изучить взаимосвязь между напряжением и электрическим полем. Начнем с общего случая неоднородного поля.Напомним, что наша общая формула для потенциальной энергии пробного заряда в точке относительно реперной точки равна

Когда мы подставляем в определение электрического поля (), это становится

Применяя наше определение потенциала () к этой потенциальной энергии, мы находим, что в общем случае

(3.2.3)

Из нашего предыдущего обсуждения потенциальной энергии заряда в электрическом поле результат не зависит от выбранного пути, и, следовательно, мы можем выбрать наиболее удобный интегральный путь.

Рассмотрим частный случай положительного точечного заряда в начале координат. Чтобы вычислить потенциал, вызванный на расстоянии от начала координат относительно точки отсчета на бесконечности (напомним, что мы сделали то же самое для потенциальной энергии), позвольте и, используя и. Когда мы вычисляем интеграл

для этой системы, у нас

, который упрощается до

Этот результат,

— это стандартная форма потенциала точечного заряда.Это будет подробнее рассмотрено в следующем разделе.

Чтобы изучить еще один интересный частный случай, предположим, что однородное электрическое поле создается путем размещения разности потенциалов (или напряжения) на двух параллельных металлических пластинах, обозначенных и (рис. 3.2.3). Изучение этой ситуации покажет нам, какое напряжение необходимо для создания определенного электрического поля. Это также покажет более фундаментальную взаимосвязь между электрическим потенциалом и электрическим полем.

(рисунок 3.2.3)

С точки зрения физика, любой или может быть использован для описания любого взаимодействия между зарядами. Однако является скалярной величиной и не имеет направления, тогда как является векторной величиной, имеющей как величину, так и направление. (Обратите внимание, что величина электрического поля, скалярная величина, представлена как.) Взаимосвязь между и выявляется путем вычисления работы, совершаемой электрической силой при перемещении заряда от точки к точке. Но, как отмечалось ранее, произвольное распределение заряда требует расчетов.Поэтому мы рассматриваем однородное электрическое поле как интересный частный случай.

Работа, совершаемая электрическим полем на рисунке 3.2.3 по перемещению положительного заряда от положительной пластины с более высоким потенциалом к отрицательной пластине с более низким потенциалом, составляет

Разница потенциалов между точками и составляет

Введя это в выражение для работы, дает

Работа есть; здесь, так как путь параллелен полю.Таким образом, . Так как мы это видим.

Подстановка этого выражения для работы в предыдущее уравнение дает

Заряд отменяется, поэтому получаем для напряжения между точками и

где — расстояние от до или расстояние между пластинами на рисунке 3.2.3. Обратите внимание, что это уравнение подразумевает, что единицы измерения электрического поля — вольт на метр. Мы уже знаем, что единицы измерения электрического поля — ньютоны на кулон; таким образом, справедливо следующее соотношение между единицами:

Кроме того, мы можем расширить это до интегральной формы.Подставляя уравнение 3.2.2 в наше определение разности потенциалов между точками и, мы получаем

, который упрощается до

В качестве демонстрации из этого мы можем вычислить разность потенциалов между двумя точками (и), равноудаленными от точечного заряда в начале координат, как показано на рисунке 3.2.4.

(рисунок 3.2.4)

Рисунок 3.2.4 Дуга для расчета разности потенциалов между двумя точками, которые находятся на одинаковом расстоянии от точечного заряда в начале координат.

Для этого мы объединяем по дуге окружности постоянного радиуса между и, что означает, что мы позволяем при использовании. Таким образом,

(3.2.4)

для этой системы становится

Однако, следовательно,

Этот результат, заключающийся в отсутствии разницы в потенциале вдоль постоянного радиуса от точечного заряда, пригодится при отображении потенциалов.

ПРИМЕР 3.2.6

Расчет потенциала точечного заряда

Учитывая точечный заряд в начале координат, вычислите разность потенциалов между точкой на расстоянии и расстоянием от, где две точки имеют угол между собой (Рисунок 3.2.6).

(рисунок 3.2.6)

Рисунок 3.2.6 Найдите разность потенциалов между и.

Стратегия

Сделайте это в два этапа. Первый шаг — использовать и let и, с и. Затем выполните интеграл. Второй шаг — интегрировать по дуге постоянного радиуса, что означает, что мы позволяем с ограничениями, все еще используем. Затем сложите два результата вместе.

Решение

Для первой части, для этой системы становится, которая вычисляет

Для второго шага становится, но и поэтому.Сложив две части вместе, мы получим.

Значение

Мы продемонстрировали использование интегральной формы разности потенциалов для получения численного результата. Обратите внимание, что в этой конкретной системе мы могли бы также использовать формулу для потенциала из-за точечного заряда в двух точках и просто взять разницу.

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 3.7

Из приведенных примеров, как энергия удара молнии зависит от высоты облаков над землей? Считайте систему облако-земля двумя параллельными пластинами.

Прежде чем описывать проблемы, связанные с электростатикой, мы предлагаем стратегию решения проблем, которой следует придерживаться для этой темы.

Стратегия решения проблем: электростатика

Изучите ситуацию, чтобы определить, присутствует ли статическое электричество; это может касаться отдельных стационарных зарядов, сил между ними и создаваемых ими электрических полей.
Определите интересующую систему. Это включает в себя указание количества, местоположения и типов взимаемых сборов.
Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные). Письменный список полезен. Определите, следует ли рассматривать кулоновскую силу напрямую — если да, может быть полезно нарисовать диаграмму свободного тела, используя силовые линии электрического поля.
Составьте список того, что дано или может быть выведено из проблемы, как указано (укажите известные). Например, важно отличать кулоновскую силу от электрического поля.
Решите соответствующее уравнение для количества, которое необходимо определить (неизвестное), или проведите линии поля, как требуется.
Изучите ответ, чтобы увидеть, разумен ли он: имеет ли он смысл? Правильны ли единицы и разумны ли числа?

Кандела Цитаты

Лицензионный контент

CC, особая атрибуция

Загрузите бесплатно по адресу http://cnx.org/contents/[email protected]. Получено с : http://cnx.org/contents/[email protected]. Лицензия : CC BY: Атрибуция

Электрическая потенциальная энергия: разница потенциалов

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Определите электрический потенциал и электрическую потенциальную энергию.
Опишите взаимосвязь между разностью потенциалов и электрической потенциальной энергией.
Объясните электрон-вольт и его использование в субмикроскопических процессах.
Определите электрическую потенциальную энергию по разности потенциалов и количеству заряда.

Рис. 1. Заряд, ускоренный электрическим полем, аналогичен массе, спускающейся с холма. В обоих случаях потенциальная энергия преобразуется в другую форму. Работа совершается силой, но поскольку эта сила консервативна, мы можем записать W = –ΔPE.

Когда свободный положительный заряд q ускоряется электрическим полем, как показано на рисунке 1, ему придается кинетическая энергия. Этот процесс аналогичен ускорению объекта гравитационным полем. Это как если бы заряд спускался с электрического холма, где его электрическая потенциальная энергия преобразуется в кинетическую. Давайте исследуем работу, совершаемую электрическим полем над зарядом q в этом процессе, чтобы мы могли разработать определение электрической потенциальной энергии.

Электростатическая или кулоновская сила является консервативной, что означает, что работа, выполняемая на q , не зависит от пройденного пути. Это в точности аналог гравитационной силы в отсутствие диссипативных сил, таких как трение. Когда сила является консервативной, можно определить потенциальную энергию, связанную с силой, и обычно легче иметь дело с потенциальной энергией (потому что она зависит только от положения), чем вычислять работу напрямую.

Мы используем буквы PE для обозначения электрической потенциальной энергии, которая измеряется в джоулях (Дж). Изменение потенциальной энергии ΔPE имеет решающее значение, поскольку работа, совершаемая консервативной силой, является отрицательной по отношению к изменению потенциальной энергии; то есть Вт = –ΔPE. Например, работа W , выполняемая для ускорения положительного заряда из состояния покоя, является положительной и является результатом потери PE или отрицательного ΔPE. Перед ΔPE должен стоять знак минус, чтобы значение W было положительным.PE можно найти в любой точке, взяв одну точку за точку отсчета и вычислив работу, необходимую для перемещения заряда в другую точку.

Потенциальная энергия

W = –ΔPE. Например, работа W , выполняемая для ускорения положительного заряда из состояния покоя, является положительной и является результатом потери PE или отрицательного ΔPE. Перед ΔPE должен стоять знак минус, чтобы значение W было положительным. PE можно найти в любой точке, взяв одну точку за точку отсчета и вычислив работу, необходимую для перемещения заряда в другую точку.

Гравитационная потенциальная энергия и электрическая потенциальная энергия совершенно аналогичны. Потенциальная энергия учитывает работу, выполняемую консервативной силой, и дает дополнительное понимание энергии и преобразования энергии без необходимости иметь дело с силой напрямую. Например, гораздо более распространено использование концепции напряжения (связанного с электрической потенциальной энергией), чем непосредственное рассмотрение кулоновской силы.

Непосредственный расчет работы обычно затруднен, поскольку W = Fd cos θ , а направление и величина F могут быть сложными для нескольких зарядов, для объектов нечетной формы и вдоль произвольных траекторий.Но мы знаем, что, поскольку F = qE , работа и, следовательно, ΔPE пропорциональны испытательному заряду q. Чтобы получить физическую величину, не зависящую от пробного заряда, мы определяем электрический потенциал V (или просто потенциал, поскольку подразумевается электрический) как потенциальную энергию на единицу заряда [латекс] V = \ frac {\ text {PE}} {q} \\ [/ латекс].

Электрический потенциал

Это электрическая потенциальная энергия на единицу заряда.

[латекс] \ displaystyle {V} = \ frac {\ text {PE}} {q} \\ [/ latex]

Поскольку PE пропорционален q , зависимость от q отменяется. Таким образом, V не зависит от q . Изменение потенциальной энергии ΔPE имеет решающее значение, поэтому нас беспокоит разность потенциалов или разность потенциалов Δ V между двумя точками, где

[латекс] \ displaystyle \ Delta {V} = V _ {\ text {B}} — V _ {\ text {A}} = \ frac {\ Delta {\ text {PE}}} {q} \\ [/ латекс]

Разность потенциалов между точками A и B, V _B — V _A, таким образом, определяется как изменение потенциальной энергии заряда q , перемещенного от A к B, делится на заряд.Единицами разности потенциалов являются джоули на кулон, получившие название вольт (В) в честь Алессандро Вольта.

[латекс] 1 \ text {V} = 1 \ frac {\ text {J}} {\ text {C}} \\ [/ latex]

Возможная разница

Разность потенциалов между точками A и B, V _B — V _A, определяется как изменение потенциальной энергии заряда q , перемещенного из A в B, деленное на заряд. Единицами разности потенциалов являются джоули на кулон, получившие название вольт (В) в честь Алессандро Вольта.

[латекс] \ displaystyle {1} \ text {V} = 1 \ frac {\ text {J}} {\ text {C}} \\ [/ latex]

Знакомый термин напряжение — это общее название разности потенциалов. Имейте в виду, что всякий раз, когда указывается напряжение, под ним понимается разность потенциалов между двумя точками. Например, каждая батарея имеет две клеммы, а ее напряжение — это разность потенциалов между ними. По сути, точка, которую вы выбираете как ноль вольт, произвольна. Это аналогично тому факту, что гравитационная потенциальная энергия имеет произвольный ноль, например, на уровне моря или, возможно, на полу лекционного зала.

Таким образом, связь между разностью потенциалов (или напряжением) и электрической потенциальной энергией определяется выражением [латекс] \ Delta {V} = \ frac {\ Delta \ text {PE}} {q} \\ [/ latex] и ΔPE = q Δ V .

Разница потенциалов и электрическая потенциальная энергия

Связь между разностью потенциалов (или напряжением) и электрической потенциальной энергией определяется по

[латекс] \ Delta {V} = \ frac {\ Delta \ text {PE}} {q} \\ [/ latex] и ΔPE = q Δ V

Второе уравнение эквивалентно первому.

Напряжение — это не то же самое, что энергия. Напряжение — это энергия на единицу заряда. Таким образом, аккумулятор мотоцикла и автомобильный аккумулятор могут иметь одинаковое напряжение (точнее, одинаковую разность потенциалов между выводами аккумулятора), но при этом один хранит гораздо больше энергии, чем другой, поскольку ΔPE = q Δ V . Автомобильный аккумулятор может заряжаться больше, чем аккумулятор мотоцикла, хотя оба аккумулятора — 12 В.

Пример 1. Расчет энергии

Предположим, у вас есть 12.Батарея мотоцикла 0 В, способная перемещать заряд 5000 C, и автомобильная батарея 12,0 В, способная перемещать заряд 60 000 C. Сколько энергии дает каждый? (Предположим, что числовое значение каждого заряда соответствует трем значащим цифрам.)

Стратегия

Сказать, что у нас батарея 12,0 В, означает, что на ее выводах разность потенциалов составляет 12,0 В. Когда такая батарея перемещает заряд, она пропускает заряд через разность потенциалов 12,0 В, и заряд получает изменение потенциальной энергии, равное ΔPE = q Δ V .

Итак, чтобы найти выходную энергию, мы умножаем перемещенный заряд на разность потенциалов.

Решение

Для аккумулятора мотоцикла: q = 5000 C и Δ V = 12,0 В. Общая энергия, отдаваемая аккумулятором мотоцикла, составляет

[латекс] \ begin {array} {lll} \ Delta \ text {PE} _ {\ text {cycle}} & = & \ left (5000 \ text {C} \ right) \ left (12.0 \ text {V } \ right) \\\ text {} & = & \ left (5000 \ text {C} \ right) \ left (12.0 \ text {J / C} \ right) \\\ text {} & = & 6.5 \ text {J} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Хотя напряжение и энергия связаны, это не одно и то же. Напряжения батарей одинаковы, но энергия, подаваемая каждым из них, совершенно разная. Также обратите внимание, что когда аккумулятор разряжается, часть его энергии используется внутри, а напряжение на его клеммах падает, например, когда фары тускнеют из-за низкого заряда автомобильного аккумулятора. Энергия, подаваемая батареей, по-прежнему рассчитывается, как в этом примере, но не вся энергия доступна для внешнего использования.

Обратите внимание, что энергии, вычисленные в предыдущем примере, являются абсолютными значениями. Изменение потенциальной энергии для аккумулятора отрицательное, так как он теряет энергию. Эти батареи, как и многие другие электрические системы, действительно перемещают отрицательный заряд — в частности, электроны. Батареи отталкивают электроны от своих отрицательных выводов (A) через любую задействованную схему и притягивают их к своим положительным выводам (B), как показано на рисунке 2. Изменение потенциала составляет Δ В = В _B — V _A = +12 В и заряд q отрицательный, так что ΔPE = q Δ V отрицательный, что означает, что потенциальная энергия батареи уменьшилась, когда q переместился из От А до Б.

Рис. 2. Аккумулятор перемещает отрицательный заряд от отрицательного вывода через фару к положительному выводу. Соответствующие комбинации химических веществ в батарее разделяют заряды, так что отрицательный вывод имеет избыток отрицательного заряда, который отталкивается им и притягивается к избыточному положительному заряду на другом выводе. С точки зрения потенциала положительный вывод находится под более высоким напряжением, чем отрицательный. Внутри аккумулятора движутся как положительные, так и отрицательные заряды.

Пример 2. Сколько электронов проходит через фару каждую секунду?

Когда от автомобильного аккумулятора на 12,0 В работает одна фара мощностью 30,0 Вт, сколько электронов проходит через нее каждую секунду?

Стратегия

Чтобы узнать количество электронов, мы должны сначала найти заряд, который переместился за 1,00 с. Перемещаемый заряд связан с напряжением и энергией посредством уравнения ΔPE = q Δ V . Лампа мощностью 30,0 Вт потребляет 30,0 джоулей в секунду. Поскольку батарея теряет энергию, имеем ΔPE = –30.0 Дж и, поскольку электроны переходят от отрицательного вывода к положительному, мы видим, что Δ V = + 12.0V.

Решение

Чтобы найти заряд q перемещенный, мы решаем уравнение ΔPE = q Δ V : [latex] q = \ frac {\ Delta \ text {PE}} {\ Delta {V}} \ \[/латекс].

Вводя значения ΔPE и Δ V , получаем

[латекс] q = \ frac {-30.0 \ text {J}} {+ 12.0 \ text {V}} = \ frac {-30.0 \ text {J}} {+ 12.0 \ text {J / C}} — 2.{19} \ text {электроны} \\ [/ latex]

Обсуждение

Это очень большое количество. Неудивительно, что мы обычно не наблюдаем отдельные электроны, так много которых присутствует в обычных системах. Фактически, электричество использовалось в течение многих десятилетий, прежде чем было установлено, что движущиеся заряды во многих обстоятельствах были отрицательными. Положительный заряд, движущийся в направлении, противоположном отрицательному, часто производит идентичные эффекты; это затрудняет определение того, что движется или оба движутся.

Электрон вольт

Рис. 3. Типичная электронная пушка ускоряет электроны, используя разность потенциалов между двумя металлическими пластинами. Энергия электрона в электрон-вольтах численно равна напряжению между пластинами. Например, разность потенциалов 5000 В производит электроны 5000 эВ.

Энергия, приходящаяся на один электрон, очень мала в макроскопических ситуациях, подобных тому, что было в предыдущем примере — крошечная доля джоуля. Но в субмикроскопическом масштабе такая энергия, приходящаяся на частицу (электрон, протон или ион), может иметь большое значение.Например, даже крошечной доли джоуля может быть достаточно, чтобы эти частицы разрушили органические молекулы и повредили живые ткани. Частица может нанести ущерб при прямом столкновении или может создать вредные рентгеновские лучи, которые также могут нанести ущерб. Полезно иметь единицу энергии, относящуюся к субмикроскопическим эффектам. На рисунке 3 показана ситуация, связанная с определением такой единицы энергии. Электрон ускоряется между двумя заряженными металлическими пластинами, как это могло бы быть в телевизионной лампе или осциллографе старой модели.Электрону придается кинетическая энергия, которая позже преобразуется в другую форму — например, в свет в телевизионной трубке. (Обратите внимание, что спуск для электрона — это подъем для положительного заряда.) Поскольку энергия связана с напряжением соотношением ΔPE = q Δ V , мы можем рассматривать джоуль как кулон-вольт.

В субмикроскопическом масштабе удобнее определить единицу энергии, называемую электрон-вольт, (эВ), которая представляет собой энергию, передаваемую фундаментальному заряду, ускоренному через разность потенциалов в 1 В.{-19} \ text {J} \ end {array} \\ [/ latex]

Электрону, ускоренному через разность потенциалов 1 В, придается энергия 1 эВ. Отсюда следует, что электрону, ускоренному до 50 В, дается 50 эВ. Разность потенциалов 100 000 В (100 кВ) даст электрону энергию 100 000 эВ (100 кэВ) и так далее. Точно так же ион с двойным положительным зарядом, ускоренный до 100 В, получит энергию 200 эВ. Эти простые соотношения между ускоряющим напряжением и зарядами частиц делают электрон-вольт простой и удобной единицей энергии в таких обстоятельствах.

Выполнение подключений: единицы энергии

Электрон-вольт (эВ) — самая распространенная единица измерения энергии для субмикроскопических процессов. Это будет особенно заметно в главах, посвященных современной физике. Энергия настолько важна для столь многих предметов, что существует тенденция определять специальные единицы энергии для каждой основной темы. Есть, например, калории для пищевой энергии, киловатт-часы для электроэнергии и термы для энергии природного газа.

Электрон-вольт обычно используется в субмикроскопических процессах — химическая валентная энергия, молекулярная и ядерная энергия связи входят в число величин, часто выражаемых в электрон-вольтах.Например, для разрушения некоторых органических молекул требуется около 5 эВ энергии. Если протон ускоряется из состояния покоя через разность потенциалов 30 кВ, ему дается энергия 30 кэВ (30 000 эВ), и он может разрушить до 6000 этих молекул (30 000 эВ ÷ 5 эВ на молекулу = 6000 молекул. ). Энергия ядерного распада составляет порядка 1 МэВ (1000000 эВ) на событие и, таким образом, может нанести значительный биологический ущерб.

Сохранение энергии

Полная энергия системы сохраняется, если нет чистого добавления (или вычитания) работы или теплопередачи.Для консервативных сил, таких как электростатическая сила, закон сохранения энергии утверждает, что механическая энергия постоянна.

Механическая энергия — это сумма кинетической энергии и потенциальной энергии системы; то есть KE + PE = константа. Потеря ПЭ заряженной частицы становится увеличением ее КЭ. Здесь PE — электрическая потенциальная энергия. Сохранение энергии выражается в форме уравнения как KE + PE = константа или KE _i + PE _i = KE _f + PE _f, где i и f обозначают начальные и конечные условия.Как мы уже много раз выясняли, учет энергии может дать нам понимание и облегчить решение проблем.

Пример 3. Электрическая потенциальная энергия, преобразованная в кинетическую энергию

Рассчитайте конечную скорость свободного электрона, ускоряемого из состояния покоя через разность потенциалов 100 В. (Предположим, что это числовое значение имеет точность до трех значащих цифр).

Стратегия

Обсуждение

Обратите внимание, что и заряд, и начальное напряжение отрицательны, как на рисунке 3. Из обсуждений в разделе «Электрический заряд и электрическое поле» мы знаем, что электростатические силы, действующие на мелкие частицы, обычно очень велики по сравнению с силой тяжести. Большая конечная скорость подтверждает, что гравитационная сила здесь действительно незначительна. Большая скорость также указывает на то, насколько легко ускорить электроны с помощью малых напряжений из-за их очень малой массы.В электронных пушках обычно используются напряжения, намного превышающие 100 В. Эти более высокие напряжения вызывают настолько большие скорости электронов, что необходимо учитывать релятивистские эффекты. Вот почему в этом примере рассматривается (точно) низкое напряжение.

Сводка раздела

Электрический потенциал — это потенциальная энергия на единицу заряда.
Разность потенциалов между точками A и B, V _B — V _A, определяемая как изменение потенциальной энергии заряда q , перемещенного от A к B, равна изменению потенциальная энергия, деленная на заряд. Разность потенциалов обычно называется напряжением и обозначается символом Δ V : [латекс] \ Delta V = \ frac {\ Delta \ text {PE}} {q} \\ [/ латекс] и ΔPE = q Δ V .{\ text {-19}} \ text {J.} \ end {array} \\ [/ latex]
Механическая энергия — это сумма кинетической энергии и потенциальной энергии системы, то есть KE + PE. Эта сумма постоянна.

Концептуальные вопросы

Напряжение — это обычное слово для обозначения разности потенциалов. Какой термин является более описательным, напряжение или разность потенциалов?
Если напряжение между двумя точками равно нулю, можно ли перемещать тестовый заряд между ними при нулевой работе сети? Обязательно ли это делать без применения силы? Объяснять.
Какая связь между напряжением и энергией? Точнее, какова взаимосвязь между разностью потенциалов и электрической потенциальной энергией?
Напряжение всегда измеряется между двумя точками. Почему?
Как связаны единицы вольт и электронвольт? Чем они отличаются?

Задачи и упражнения

Найдите отношение скоростей электрона и отрицательного иона водорода (тот, у которого есть дополнительный электрон), ускоренных одним и тем же напряжением, принимая нерелятивистские конечные скорости.Возьмем массу иона водорода 1,67 × 10 ⁻²⁷ кг.
В вакуумной трубке используется ускоряющее напряжение 40 кВ для ускорения электронов, ударов по медной пластине и получения рентгеновских лучей. С нерелятивистской точки зрения, какова максимальная скорость этих электронов?
Голое ядро гелия имеет два положительных заряда и массу 6,64 × 10 ⁻²⁷ кг. (а) Вычислите его кинетическую энергию в джоулях при 2,00% скорости света. (б) Что это в электрон-вольтах? (c) Какое напряжение потребуется для получения этой энергии?
Комплексные концепции. Однозарядные ионы газа ускоряются из состояния покоя за счет напряжения 13,0 В. При какой температуре средняя кинетическая энергия молекул газа будет такой же, как у этих ионов?
Комплексные концепции. Считается, что температура около центра Солнца составляет 15 миллионов градусов Цельсия (1,5 × 10 ⁷ ºC). Через какое напряжение должен быть ускорен однозарядный ион, чтобы он имел такую же энергию, как средняя кинетическая энергия ионов при этой температуре?
Комплексные концепции. (a) Какова средняя выходная мощность дефибриллятора сердца, который рассеивает 400 Дж энергии за 10,0 мс? (б) Учитывая высокую выходную мощность, почему дефибриллятор не вызывает серьезных ожогов?
Комплексные концепции. Молния поражает дерево, перемещая 20,0 Кл заряда через разность потенциалов 1,00 × 10 ² МВ. а) Какая энергия была рассеяна? б) Какую массу воды можно было поднять с 15ºC до точки кипения, а затем с помощью этой энергии вскипятить? (c) Обсудите ущерб, который может быть нанесен дереву из-за расширения кипящего пара.
Комплексные концепции. Подогреватель бутылочек на 12,0 В нагревает 50,0 г стекла, 2,50 × 10 ² г детской смеси и 2,00 × 10 ² г алюминия с 20,0 ° C до 90,0 ° C. (а) Насколько заряжен аккумулятор? (б) Сколько электронов течет в секунду, если для разогрева формулы требуется 5,00 мин? (Подсказка: предположите, что удельная теплоемкость детской смеси примерно такая же, как удельная теплоемкость воды.)
Комплексные концепции. В автомобиле с батарейным питанием используется 12.Система 0 В. Найдите заряд, который батареи должны быть в состоянии двигаться, чтобы разогнать 750-килограммовый автомобиль из состояния покоя до 25,0 м / с, заставить его подняться на холм высотой 2,00 × 10 ² м, а затем заставить его двигаться с постоянной скоростью 25,0 м / с. м / с путем приложения силы 5,00 × 10 ² Н в течение часа.
Комплексные концепции. Вероятность синтеза значительно увеличивается, когда соответствующие ядра сближаются, но взаимное кулоновское отталкивание необходимо преодолевать. Это можно сделать, используя кинетическую энергию ионов высокотемпературного газа или ускоряя ядра друг к другу.(а) Рассчитайте потенциальную энергию двух однозарядных ядер, разделенных расстоянием 1,00 × 10 ⁻¹² м, найдя напряжение одного на таком расстоянии и умножив его на заряд другого. (б) При какой температуре атомы газа будут иметь среднюю кинетическую энергию, равную этой необходимой электрической потенциальной энергии?
Необоснованные результаты. (a) Найдите напряжение около металлической сферы диаметром 10,0 см, на которой имеется 8,00 C избыточного положительного заряда. б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие допущения ответственны?
Создайте свою проблему. Рассмотрим батарею, используемую для питания сотового телефона. Постройте задачу, в которой вы определяете энергию, которая должна быть предоставлена батареей, а затем вычисляете количество заряда, которое она должна иметь возможность перемещать, чтобы обеспечить эту энергию. Среди прочего следует учитывать потребность в энергии и напряжение батареи. Возможно, вам придется заглянуть в будущее, чтобы интерпретировать номинальные характеристики батареи в ампер-часах производителя как энергию в джоулях.

Глоссарий

электрический потенциал: потенциальная энергия на единицу заряда

разность потенциалов (или напряжение): изменение потенциальной энергии заряда, перемещенного из одной точки в другую, деленное на заряд; единицы разности потенциалов — джоули на кулон, известные как

вольт.

электрон-вольт: энергия, отдаваемая фундаментальному заряду, ускоренному через разность потенциалов в один вольт

механическая энергия: сумма кинетической энергии и потенциальной энергии системы; эта сумма постоянна

Избранные решения проблем и упражнения

1.42,8

4. 1,00 × 10 ⁵ К

6. (а) 4 × 10 ⁴ Вт; (б) Дефибриллятор не вызывает серьезных ожогов, потому что кожа хорошо проводит электричество при высоких напряжениях, подобных тем, которые используются в дефибрилляторах. Используемый гель способствует передаче энергии телу, а кожа не поглощает энергию, а пропускает ее к сердцу.

8. (а) 7,40 × 10 ³ С; (б) 1,54 × 10 ²⁰ электронов в секунду

9. 3.89 × 10 ⁶ С

11. (а) 1.44 × 10 ¹² В; (б) Это напряжение очень высокое. Сфера диаметром 10,0 см никогда не сможет выдержать такое напряжение; он разрядился бы; (c) Заряд 8,00 C — это больше заряда, чем может разумно накопиться на сфере такого размера.

Учебное пособие по физике: разность электрических потенциалов

В предыдущем разделе Урока 1 было введено понятие электрического потенциала. Электрический потенциал — это зависящая от местоположения величина, которая выражает количество потенциальной энергии на единицу заряда в определенном месте.Когда кулон заряда (или любое заданное количество заряда) обладает относительно большим количеством потенциальной энергии в данном месте, то это место называется местом с высоким электрическим потенциалом. Точно так же, если кулон заряда (или любое заданное количество заряда) обладает относительно небольшим количеством потенциальной энергии в данном месте, то это место называется местом с низким электрическим потенциалом. Когда мы начнем применять наши концепции потенциальной энергии и электрического потенциала к цепям, мы начнем ссылаться на разницу в электрическом потенциале между двумя точками.Эта часть Урока 1 будет посвящена пониманию разности электрических потенциалов и ее применению к движению заряда в электрических цепях.

Рассмотрим задачу перемещения положительного испытательного заряда в однородном электрическом поле из точки A в точку B, как показано на схеме справа. При перемещении заряда против электрического поля из точки A в точку B над зарядом должна будет работать внешняя сила. Работа, проделанная с зарядом, изменяет его потенциальную энергию на более высокое значение; а объем проделанной работы равен изменению потенциальной энергии.В результате этого изменения потенциальной энергии также существует разница в электрическом потенциале между точками A и B. Эта разница в электрическом потенциале представлена символом ΔV и формально называется разностью электрических потенциалов . По определению, разность электрических потенциалов — это разность электрических потенциалов (В) между конечным и начальным местоположениями, когда над зарядом выполняется работа по изменению его потенциальной энергии. В форме уравнения разность электрических потенциалов равна

Стандартная метрическая единица измерения разности электрических потенциалов — вольт, сокращенно В и названная в честь Алессандро Вольта.Один вольт эквивалентен одному джоулю на кулон. Если разность электрических потенциалов между двумя точками составляет 1 вольт, то один кулоновский заряд получит 1 джоуль потенциальной энергии при перемещении между этими двумя точками. Если разность электрических потенциалов между двумя местоположениями составляет 3 вольта, то один кулон заряда получит 3 джоуля потенциальной энергии при перемещении между этими двумя местоположениями. И, наконец, если разность электрических потенциалов между двумя местоположениями составляет 12 вольт, то один кулон заряда получит 12 джоулей потенциальной энергии при перемещении между этими двумя местоположениями.Поскольку разность электрических потенциалов выражается в вольтах, ее иногда называют напряжением .

Разность электрических потенциалов и простые схемы

Электрические цепи, как мы увидим, все связаны с движением заряда между различными местами и соответствующими потерями и увеличением энергии, которые сопровождают это движение. В предыдущей части Урока 1 концепция электрического потенциала была применена к простой электрической цепи с батарейным питанием.В этом обсуждении было объяснено, что необходимо провести работу с положительным испытательным зарядом, чтобы переместить его через ячейки от отрицательного вывода к положительному выводу. Эта работа увеличит потенциальную энергию заряда и, таким образом, увеличит его электрический потенциал. Когда положительный тестовый заряд перемещается через внешнюю схему от положительного вывода к отрицательному выводу, он уменьшает свою электрическую потенциальную энергию и, таким образом, имеет низкий потенциал к тому времени, когда он возвращается к отрицательному выводу.Если в цепи используется 12-вольтовая батарея, то каждый кулон заряда получает 12 джоулей потенциальной энергии при прохождении через батарею. Точно так же каждый кулон заряда теряет 12 джоулей электрической потенциальной энергии при прохождении через внешнюю цепь. Потеря этой электрической потенциальной энергии во внешней цепи приводит к увеличению световой энергии, тепловой энергии и других форм неэлектрической энергии.

С четким пониманием разницы электрических потенциалов, роли электрохимической ячейки или совокупности ячеек (т.е., аккумулятор) в простой схеме можно правильно понять. Ячейки просто поставляют энергию для работы с зарядом, чтобы переместить его от отрицательного вывода к положительному. Предоставляя энергию для заряда, элемент может поддерживать разность электрических потенциалов на двух концах внешней цепи. Как только заряд достигнет клеммы с высоким потенциалом, он естественным образом потечет по проводам к клемме с низким потенциалом. Движение заряда по электрической цепи аналогично движению воды в аквапарке или движению американских горок в парке развлечений.В каждой аналогии необходимо проделать работу на воде или на американских горках, чтобы переместить ее из места с низким гравитационным потенциалом в место с высоким гравитационным потенциалом. Когда вода или американские горки достигают высокого гравитационного потенциала, они естественным образом движутся вниз обратно в место с низким потенциалом. Для водных прогулок или американских горок задача по подъему автомобилей с водой или горками до высокого потенциала требует энергии. Энергия подается водяным насосом с приводом от двигателя или цепью с приводом от двигателя.В электрической цепи с батарейным питанием элементы выполняют роль зарядного насоса, чтобы подавать энергию для заряда, чтобы поднять его из положения с низким потенциалом через элемент в положение с высоким потенциалом.

Часто удобно говорить об электрической цепи, такой как простая схема, обсуждаемая здесь, как о состоящей из двух частей — внутренней цепи и внешней цепи. Внутренняя схема — это часть схемы, в которой энергия подается на заряд.Для простой схемы с батарейным питанием, о которой мы говорили, часть схемы, содержащая электрохимические элементы, является внутренней схемой. Внешняя схема является частью схемы, в которой заряд движется за пределы ячеек по проводам на своем пути от клеммы с высоким потенциалом к клемме с низким потенциалом. Движение заряда по внутренней цепи требует энергии, поскольку это движение на вверх и на в направлении, которое составляет против электрического поля .Движение заряда по внешней цепи является естественным, поскольку это движение в направлении электрического поля. Когда на положительном выводе электрохимического элемента, положительный испытательный заряд находится под высоким электрическим давлением таким же образом, как вода в аквапарке находится под высоким давлением воды после того, как ее перекачивают на вершину водной горки. Находясь под высоким электрическим давлением, положительный испытательный заряд самопроизвольно и естественным образом перемещается по внешней цепи в место с низким давлением и низким потенциалом.

Когда положительный тестовый заряд проходит через внешнюю цепь, он встречает различные типы элементов схемы. Каждый элемент схемы служит устройством преобразования энергии. Лампочки, двигатели и нагревательные элементы (например, в тостерах и фенах) являются примерами устройств преобразования энергии. В каждом из этих устройств электрическая потенциальная энергия заряда преобразуется в другие полезные (и бесполезные) формы. Например, в лампочке электрическая потенциальная энергия заряда преобразуется в световую энергию (полезная форма) и тепловая энергия (бесполезная форма).Движущийся заряд воздействует на лампочку, производя две разные формы энергии. При этом движущийся заряд теряет свою электрическую потенциальную энергию. При выходе из элемента схемы заряд находится под меньшим напряжением. Место непосредственно перед входом в лампочку (или любой элемент схемы) является местом с высоким электрическим потенциалом; и место сразу после выхода из лампочки (или любого элемента схемы) — это место с низким электрическим потенциалом. Ссылаясь на диаграмму выше, местоположения A и B являются местоположениями с высоким потенциалом, а местоположения C и D — местоположениями с низким потенциалом.Потеря электрического потенциала при прохождении через элемент схемы часто упоминается как падение напряжения . К тому времени, когда положительный тестовый заряд возвращается к отрицательному выводу, он достигает 0 вольт и готов к повторному включению и подаче напряжения обратно на положительный вывод высокого напряжения .

Диаграммы электрических потенциалов

Диаграмма электрических потенциалов — удобный инструмент для представления разностей электрических потенциалов между различными точками электрической цепи.Ниже показаны две простые схемы и соответствующие им диаграммы электрических потенциалов.

В цепи A есть D-элемент на 1,5 В и одиночная лампочка. В цепи B есть 6-вольтовая батарея (четыре 1,5-вольтовых D-элемента) и две лампочки. В каждом случае отрицательный полюс батареи является положением 0 В. Положительный полюс батареи имеет электрический потенциал, равный номинальному напряжению батареи. Аккумулятор заряжает и перекачивает его от клеммы низкого напряжения к клемме высокого напряжения.Таким образом батарея создает разность электрических потенциалов на двух концах внешней цепи. Находясь на под электрическим давлением , заряд теперь будет перемещаться по внешней цепи. Поскольку его электрическая потенциальная энергия преобразуется в энергию света и тепловую энергию в местах расположения лампочек, заряд снижает свой электрический потенциал. Общее падение напряжения на внешней цепи равно напряжению батареи, когда заряд перемещается от положительного вывода обратно к 0 вольт на отрицательном выводе.В случае контура B во внешней цепи есть два падения напряжения, по одному на каждую лампочку. В то время как величина падения напряжения в отдельной лампочке зависит от различных факторов (которые будут обсуждаться позже), совокупная величина падения должна равняться 6 вольтам, полученным при прохождении через батарею.

Разность электрических потенциалов на двух вставках бытовой электрической розетки зависит от страны.Используйте виджет Household Voltages ниже, чтобы узнать значения напряжения в домашних условиях для различных стран (например, США, Канады, Японии, Китая, Южной Африки и т. Д.).

Проверьте свое понимание

1. Перемещение электрона в электрическом поле изменило бы ____ электрона.

а. масса офб. сумма заряда нац.потенциальная энергия

2. Если бы электрическая цепь была аналогична водной цепи в аквапарке, то напряжение батареи было бы сопоставимо с _____.

а. скорость, с которой вода течет через контур
г. скорость, с которой вода течет по контуру
г. расстояние, на которое вода протекает через контур
г. давление воды между верхом и низом контура
e.помеха, вызванная препятствиями на пути движущейся воды

3. Если бы электрическая цепь в вашем Walkman была аналогична водной цепи в аквапарке, тогда батарея была бы сопоставима с _____.

а. люди, которые сползают с возвышенности на землю
г. препятствия, стоящие на пути движущейся воды
г. насос, который перекачивает воду с земли на возвышение
г.трубы, по которым течет вода
e. расстояние, на которое вода протекает через контур

4. Что из нижеперечисленного относится к электрической схеме вашего фонарика?

а. Заряд движется по контуру очень быстро — почти со скоростью света.
г. Аккумулятор поставляет заряд (электроны), который движется по проводам.
г.Батарея обеспечивает заряд (протоны), который движется по проводам.
г. Заряд расходуется по мере прохождения через лампочку.
e. Батарея подает энергию, повышающую уровень заряда от низкого до высокого напряжения.
ф. … бред какой то! Все это неправда.

5. Если батарея выдает высокое напряжение, она может ____.

а. делать много работы в течение своего срока службы
г. много работать над каждым обнаруженным зарядом
г. протолкнуть много заряда через цепь
г. долго

На схеме внизу справа показана лампочка, подключенная проводами к + и — клеммам автомобильного аккумулятора. Используйте диаграмму, чтобы ответить на следующие четыре вопроса.

6. По сравнению с точкой D, точка A имеет _____ электрический потенциал.

а. 12 В выше в
г. 12 В ниже в
г. точно такой же
г. … невозможно сказать

7. Электрическая потенциальная энергия заряда равна нулю в точке _____.

8. Требуется энергия, чтобы заставить сдвинуть положительный тестовый заряд ___.

а. через провод из точки А в точку Б
г. через лампочку из точки B в точку C
г. по проводу от точки C до точки D
г. через батарею из точки D в точку A

9. Энергия, необходимая для перемещения +2 C заряда между точками D и A, составляет ____ Дж.

а. 0,167b. 2.0c. 6.0d. 12e. 24

10.Следующая схема состоит из D-ячейки и лампочки. Используйте символы>, <и =, чтобы сравнить электрический потенциал в точках A и B и от C до D. Укажите, добавляют ли устройства энергию к заряду или удаляют ее.

11. Используйте свое понимание математической взаимосвязи между работой, потенциальной энергией, зарядом и разностью электрических потенциалов, чтобы завершить следующие утверждения:

а.9-вольтовая батарея увеличит потенциальную энергию заряда в 1 кулон на ____ джоулей.
г. 9-вольтовая батарея увеличит потенциальную энергию 2 кулонов заряда на ____ джоулей.
г. 9-вольтовая батарея увеличит потенциальную энергию заряда 0,5 кулонов на ____ джоулей.
г. Аккумулятор ___-вольт увеличит потенциальную энергию 3 кулонов заряда на 18 джоулей.
e. Аккумулятор ___-вольт увеличит потенциальную энергию 2 кулонов заряда на 3 джоуля.
ф. Батарея на 1,5 В увеличит потенциальную энергию заряда ____ кулонов на 0,75 джоулей.
г. 12-вольтовая батарея увеличит потенциальную энергию ____ кулонов заряда на 6 джоулей.

Разница потенциалов — объяснение того, что такое разность электрических потенциалов

Узнайте все о разнице электрических потенциалов, формуле для расчета разницы потенциалов, о том, как рассчитать разность потенциалов между двумя точками.

Разность потенциалов можно просто определить как разность электрических потенциалов между двумя точками. Когда два положительных заряда поднесены друг к другу, они отталкиваются.

Когда два отрицательных заряда сближаются, они также отталкиваются. Но когда положительный и отрицательный заряды сближаются, они притягиваются друг к другу. Когда эти два противоположных заряда объединены, их можно использовать для работы. Вот почему нам нужны положительный ( + ) и отрицательный ( — ), чтобы зажечь лампочку или запустить любой электрический инструмент, оборудование, мобильный телефон или бытовую технику.Эта способность заряженных частиц совершать работу называется электрическим потенциалом .

Следовательно, два противоположных заряда имеют разность потенциалов или разности потенциалов. Единица измерения разности потенциалов ( пд, ) — вольт .

Единица разницы потенциалов

Единица измерения разности потенциалов (вольт) названа в честь Алессандро Вольта. Вольт — это мера электрического потенциала.Электрический потенциал — это тип потенциальной энергии, он относится к энергии, которая может быть высвобождена, если электрический ток будет протекать.

Один вольт определяется как разность электрических потенциалов между двумя точками проводящего провода, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности между этими точками. Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии 1 метра друг от друга, которые создают электрическое поле в 1 ньютон на кулон.

Единица измерения системы СИ — джоуль ( Дж ). Единица силы в системе СИ — ньютон ( Н ). Единица расстояния в системе СИ — м ( м ).

Вт (джоули) = N (ньютоны) x м (метры)

Напряжение

В области электроники разность потенциалов обычно обозначается как напряжение и обозначается как В . В некоторых случаях также используется символ U или E для ЭДС ( электродвижущая сила ), но стандартный символ V представляет любую разность потенциалов.Это относится к напряжению, генерируемому такими источниками, как аккумулятор или солнечный элемент, а также к напряжению, падающему на пассивном электронном компоненте, таком как резистор.

Разность потенциалов, также называемая разностью напряжений между двумя заданными точками, — это работа в джоулях, необходимая для перемещения одного кулоновского заряда из одной точки в другую. Единица измерения напряжения в системе СИ — вольт .

Формула Вольта
Виды напряжения
Существует 2 типа напряжения — постоянный или постоянный ток и переменный или переменный ток.
DC — Это постоянное напряжение. Здесь электрический заряд ( ток ) течет только в одном направлении. Источники напряжения, такие как аккумулятор мобильного телефона или солнечная батарея, обеспечивают постоянное напряжение. Пример — 12 В постоянного тока
AC — это переменный ток. Здесь электрический заряд (ток) периодически меняет направление. Источники напряжения, такие как генератор переменного тока, подают переменное напряжение. Пример — 240 В переменного тока.
Полярность напряжения
Предположим, есть 2 заряженных точки — точка A заряжена положительно (+), а точка B заряжена отрицательно (-).Теперь, если мы переместим замкнутую цепь A (+) из A в B или наоборот, это потребует работы. Разница между двумя точками — это полярность напряжения . Эта полярность напряжения обозначается положительным знаком (+) в точке A и отрицательным знаком (-) в точке B.
Как рассчитать разность электрических потенциалов по закону Ома
Рассчитайте количество тока, протекающего по цепи. Измеряется в амперах ( I )
Рассчитайте величину сопротивления в цепи.Сопротивление измеряется в Ом ( R ).
Умножьте величину тока в цепи на величину сопротивления в цепи — В = IR (закон Ома)
Что такое разность электрических потенциалов

Статьи по теме:
Преобразователь электрического потенциала и напряжения • Электротехника • Определения единиц измерения • Онлайн-преобразователи единиц измерения
Определения единиц для преобразователя электрического потенциала и преобразователя напряжения
Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер сухого объема и общих измерений при варкеПреобразователь площадиПреобразователь объёма и общих измерений при варкеПреобразователь температурыПреобразователь давления, напряжения, модуля ЮнгаПреобразователь энергии и работыПреобразователь мощностиПреобразователь силыКонвертер времениЛинейный конвертер скорости и скоростиКонвертер угла Хранение данныхКурсы обмена валютЖенская одежда и размеры обувиМужская одежда и размеры обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаПреобразователь момента инерцииПреобразователь момента силыКонвертер крутящего моментаПреобразователь удельной энергии, теплоты сгорания (на единицу температуры на массу) Конвертер удельной энергии Преобразователь интерваловКонвертер коэффициента теплового расширенияПреобразователь теплового сопротивленияПреобразователь теплопроводности Конвертер удельной теплоемкости ter Конвертер скорости передачиКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофонаКонвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с выбираемым эталонным давлениемКонвертер яркостиКонвертер яркостиКонвертер яркостиКонвертер разрешения цифрового изображенияКонвертер частоты и длины волныОптическая мощность (диоптрия) в фокусное расстояниеКонвертер оптической мощности (диоптрий) в увеличение (X) Конвертер плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объёмной плотности заряда Конвертер электрического токаЛинейный преобразователь плотности токаПреобразователь плотности поверхностного токаПреобразователь напряженности электрического поляПреобразователь электрического потенциала и напряженияПреобразователь электрического сопротивленияПреобразователь электрического сопротивленияПреобразователь электрической проводимостиПреобразователь электрической проводимостиПреобразователь емкостиПреобразователь индуктивностиПреобразователь реактивной мощности переменного токаПреобразователь единиц магнитного поля в ваттах и дБм Конвертер плотности потока Конвертер мощности поглощенной дозы излучения, Конвертер мощности дозы полного ионизирующего излученияРадиоактивность.Преобразователь радиоактивного распада Преобразователь радиационного воздействияРадиация. Конвертер поглощенной дозы Конвертер метрических префиксов Конвертер передачи данных Конвертер единиц типографии и цифрового изображения Конвертер единиц измерения объема древесиныКалькулятор молярной массыПериодическая таблица
вольт
A вольт (В) — производная от системы СИ единица измерения электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов. По определению, один вольт — это разница в электрическом потенциале на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
милливольт
милливольт (мВ) — десятичная дробь производной единицы системы СИ для электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов. 1 мВ = 0,001 В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
микровольт
микровольт (мкВ) — это единица измерения электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов, производная от производной единицы системы СИ. 1 мкВ = 0,000001 В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
нановольт
нановольт (нВ) — это десятичная дробь производной единицы в системе СИ для электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов. 1 нВ = 10⁻⁹ В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
пиковольт
A пиковольт (пВ) — это единица измерения электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов, производная от производной единицы в системе СИ. 1 пВ = 10⁻¹² В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
киловольт
киловольт (кВ) — это производная в системе СИ единица измерения электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов, кратная десятичной. 1 кВ = 1000 В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
мегавольт
A мегавольт (МВ) — это производная от системы СИ единица измерения электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов, кратная производной единице. 1 МВ = 10⁶ В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
гигавольт
A гигавольт (ГВ) — это производная в системе СИ единица, кратная электродвижущей силе, электрическому потенциалу (напряжению) и разности электрических потенциалов. 1 ГВ = 10⁹ В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
теравольт
A теравольт (TV) — это производная единица СИ для электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов, кратная производной в системе СИ. 1 ТВ = 10¹² В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
ватт / ампер
ватт на ампер (Вт / А) равно вольту (В), который является производной единицей СИ для электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов. По определению, один вольт — это разница в электрическом потенциале на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в 1 ньютон на кулон.
abvolt
Abvolt (abV) — это единица измерения электрического потенциала (напряжения), разности электрических потенциалов и электродвижущей силы в электромагнитной системе единиц cgs (сантиметр-грамм-секунда). 1 abV равен 10⁻⁸ вольт. Разность потенциалов в один АБ будет пропускать ток в один А через сопротивление в один АБ.Один эрг энергии необходим для перемещения одного абкулона заряда между двумя точками, имеющими разность потенциалов в один абвольт.
EMU электрического потенциала
Электромагнитная единица электрического потенциала — это другое название абвольта (abv) — единицы электрического потенциала (напряжения), разности электрических потенциалов и электродвижущей силы в cgs (сантиметр-грамм). -второй) электромагнитная система агрегатов. 1 EMU электрического потенциала равен 10⁻⁸ вольт. Разность потенциалов в один АБ будет пропускать ток в один А через сопротивление в один АБ.Один эрг энергии необходим для перемещения одного абкулона заряда между двумя точками, имеющими разность потенциалов в один абвольт.
статвольт
Статвольт — это единица измерения электрического потенциала (напряжения), разности электрических потенциалов и электродвижущей силы в электростатической системе единиц cgs (сантиметр-грамм-секунда). 1 статвольт = 299,79 вольт. Разность потенциалов в один статВ будет пропускать ток в один статампер через сопротивление в один статом. Статвольт — это большая единица измерения, поэтому инженеры-электрики и электрики предпочитают использовать единицу СИ вместо вольт.
ESU электрического потенциала
Электростатическая единица (ESU) электрического потенциала — это другое название статвольт — единица электрического потенциала (напряжения), разности электрических потенциалов и электродвижущей силы в cgs (сантиметр-грамм-секунда) электростатическая система агрегатов. Преобразование в систему СИ составляет 1 статвольт = 299,79 вольт. Разность потенциалов в один статВ будет пропускать ток в один статампер через сопротивление в один статом. Статвольт — это большая единица измерения, поэтому инженеры-электрики и электрики предпочитают использовать единицу СИ вместо вольт.
Напряжение Planck
Напряжение Planck (размерность напряжения L²MT⁻²Q⁻¹, где L — размерность длины, M — размерность массы, Q — размер заряда и T — размерность времени), является базовой единицей. напряжения в системе единиц Планка, равное 1,04295 × 10²⁷ В. Напряжение Планка можно определить с помощью фундаментальных физических констант.
Преобразование единиц измерения с помощью преобразователя электрического потенциала и напряжения Преобразователь
У вас есть трудности с переводом единиц измерения на другой язык? Помощь доступна! Задайте свой вопрос в TCTerms , и вы получите ответ от опытных технических переводчиков в считанные минуты.
Разница электрических потенциалов

Когда мы поднимали объект против силы тяжести, прикладывая силу на расстоянии, мы действительно работали, чтобы придать этому объекту гравитационную потенциальную энергию. То же самое применимо и к электрическим полям. Если вы перемещаете заряд против электрического поля, вы должны приложить силу на некотором расстоянии, поэтому вы работаете и передаете ему электрическую потенциальную энергию. Работа, совершаемая на единицу заряда при перемещении заряда между двумя точками в электрическом поле, известна как разность электрических потенциалов , (В) .Единицами электрического потенциала являются вольт, где вольт равен 1 джоуля на кулон. Следовательно, если вы проделали 1 Джоуль работы по перемещению заряда в 1 кулон в электрическом поле, разность электрических потенциалов между этими точками составила бы 1 вольт. Это дает:
В в этой формуле — это разность потенциалов (в вольтах), W — работа или электрическая энергия (в джоулях), а q — ваш заряд (в кулонах). Давайте посмотрим на пример задачи.
Вопрос: Разность потенциалов 10.0 вольт существует между двумя точками, A и B, в электрическом поле. Какая величина заряда требуется 2,0 × 10 ^–2 джоулей работы, чтобы переместить его из А в Б?
Ответ:
Когда мы имеем дело с электростатикой, часто количество электрической энергии или работы, выполняемой с зарядом, составляет очень небольшую часть Джоуля. Работа с такими небольшими числами обременительна, поэтому физики изобрели альтернативную единицу измерения электрической энергии и работы, которая может быть более удобной, чем джоуль.Эта единица измерения, известная как электрон-вольт (эВ), представляет собой количество работы, совершаемой при перемещении элементарного заряда через разность потенциалов в 1 В. Таким образом, один электрон-вольт эквивалентен одному вольту, умноженному на один элементарный заряд (в кулонах): 1 эВ = 1,6 * 10 ^-19 Дж.
Вопрос: Заряд 2 * 10 ^-3 Кл перемещается через разность потенциалов 10 вольт в электрическом поле. Сколько работы в электрон-вольтах требовалось, чтобы переместить этот заряд?
Ответ:

Параллельные пластины
Если вам известна разность потенциалов между двумя параллельными пластинами, вы можете легко вычислить напряженность электрического поля между пластинами.Пока вы не приближаетесь к краю пластин, электрическое поле между пластинами остается постоянным, а его сила определяется выражением:
Обратите внимание, что с учетом разности потенциалов V в вольтах и расстояния между пластинами в метрах единицей измерения напряженности электрического поля являются вольты на метр [В / м]. Ранее мы заявляли, что единицами измерения напряженности электрического поля были ньютоны на кулон [Н / Кл]. Легко показать, что эти единицы эквивалентны:
Вопрос: Какая электрическая единица соответствует одному джоулю?
вольт / метр
ампер * вольт
вольт / кулон
Кулон * вольт
Ответ: (4) Кулон * вольт
Давайте попробуем другой пример задачи:
Вопрос: На диаграмме изображены два электрона, e ₁ и e ₂, расположенные между двумя противоположными заряженные параллельные пластины.Сравните величину силы, оказываемой электрическое поле на е ₁ до величины сила электрического поля на e ₂.
Ответ: Сила одинакова, потому что электрическое поле одинаково для обоих зарядов, так как электрическое поле постоянно между двумя параллельными пластинами.
Эквипотенциальные линии
Подобно топографической карте, на которой показаны линии равной высоты или равной гравитационной потенциальной энергии, мы можем составить карту электрического поля и соединить точки с равным электрическим потенциалом.Эти линии, известные как эквипотенциальные линии, всегда пересекают линии электрического поля под прямым углом и показывают положения в пространстве с постоянным электрическим потенциалом. Если вы перемещаете заряженную частицу в пространстве, и она всегда остается на эквипотенциальной линии, никакой работы не будет.

Электрический потенциал и разность потенциалов
Поток электрических зарядов известен как электричество, и он отвечает за производство электрического тока.В эту быстрорастущую эру электричество стало действительно важным для людей. От вентилятора в маленькой комнате до тяжелых машин на больших заводах, все работает на электричестве. Важное слово, связанное с электричеством, — это Электрический потенциал . Разница потенциалов необходима для создания потока электронов и, следовательно, производства электричества. Давайте узнаем об электрическом потенциале и о том, как создается разность потенциалов.
Электрический потенциал
Это работа, совершаемая на единицу заряда, чтобы перенести этот заряд из бесконечности в точку в электростатическом поле против силы поля.Электрический потенциал также называют напряжением. Единицей измерения электрического потенциала или разницы электрических потенциалов в системе СИ является напряжение или вольт. Электрический потенциал — это скалярная величина.
На приведенном выше рисунке + Q — это заряд, создающий электрическое поле, задача состоит в том, чтобы перенести единичный заряд (+ q) из бесконечности (где угодно вне электрического поля) в точку внутри электрического поля против поля. . Поскольку электростатическая сила, создаваемая электрическим полем, будет противодействовать единичному заряду, единичному заряду требуется совершить некоторую работу, чтобы переместиться либо из бесконечности в какое-то место в поле, либо из одной точки в другую в поле.
Если выполняется работа по перемещению заряда из бесконечности в точку X, это будет называться электрическим потенциалом в точке X (V _x).
Если работа выполняется по перемещению заряда из бесконечности в точку Y, это будет называться электрическим потенциалом в точке Y (V _y).
Если выполняется работа по перемещению заряда из X в Y, это будет называться разностью потенциалов между x и y (V _xy).
Формула для электрического потенциала:

Электрический потенциал / напряжение = выполненная работа / заряд единицы
Единица СИ для электрического потенциала:
В = Вт / q = Джоуль / кулон = Вольт
Следовательно, единицей СИ для электрического потенциала является вольт или напряжение.
1 Вольт = 1 Джоуль / 1 кулон
1 Вольт можно определить как 1 джоуль работы, выполненной для перемещения 1 кулон заряда
Разница электрических потенциалов
Представьте себе мяч, сидящий на некоторой высоте, будет ли он немного энергии в шаре? Да, энергия называется потенциальной энергией, и если мяч падает с высоты точки A на высоту B, мяч всегда будет падать с более высокого гравитационного потенциала на более низкий, тогда будет разница в обеих энергиях.Разность электрических потенциалов аналогична этой концепции.
Показанная потенциальная энергия шара на высоте A и B
Энергия, которой обладают электрические заряды, известна как электрическая энергия. Заряд с более высоким потенциалом будет иметь большую потенциальную энергию, а заряд с меньшим потенциалом будет иметь меньшую потенциальную энергию. Ток всегда перемещается от более высокого потенциала к более низкому. Разница в этих энергиях на единицу заряда известна как разность электрических потенциалов.

Для создания электричества и протекания тока всегда требуется разность потенциалов, которая поддерживается батареей или элементом.
Ячейка
Более длинная сторона представляет более высокий потенциал (клемма + ve), а более короткая сторона представляет более низкий потенциал (клемма -).
Разность электрических потенциалов измеряется вольтметром, подключенным параллельно к прибору, напряжение которого необходимо измерить.
A Вольтметр
Определение разности электрических потенциалов
Это работа, выполняемая на единицу заряда для перемещения единичного заряда из одной точки в другую в электрическом поле.Разность электрических потенциалов обычно называется разностью напряжений.
Формула для разности электрических потенциалов
V _xy = V _x — V _y = [W _x — W _y] / q
SI Единица измерения Разность электрических потенциалов
Единица СИ для разности электрических потенциалов такая же, как и у электрического потенциала, т.е. Напряжение или вольт.
Примечание. Почему для объяснения концепции электрического потенциала берется единица заряда?

Небольшой единичный заряд будет иметь очень маленькое электрическое поле, которое не будет ни влиять, ни искажать поле, создаваемое большим зарядом, и, следовательно, концепция может быть легко объяснена.
Закон Ома
Согласно закону Ома, ток, протекающий по проводнику, прямо пропорционален напряжению при условии, что проводимость и температура остаются постоянными.
При удалении пропорциональности вводится новая константа, известная как сопротивление.
V ∝ I
V = IR
Где V = напряжение на проводнике
I = ток, протекающий в проводе
R = сопротивление проводника в омах
Примеры задач
Вопрос 1: Заряд в 10 мКл перемещается из бесконечности в точку A в электрическом поле, работа, выполняемая в этом процессе, составляет 20 Дж.В чем разница.
Решение:
V = W / q
W = 20 джоулей
q = 10mC
V = 20/10 × 10 ^-3 = 2kV
Следовательно, потенциал развит составляет 2000вольт.
Вопрос 2: Заряд 50 мКл перемещается из одной точки в другую (от A к B). Напряжение в точке A составляет 50 кВ, а напряжение в точке B составляет 30 кВ. Найдите работу, выполненную зарядом.
Решение:
V _AB = V _A — V _B = 50 кВ- 30 кВ = 20 кВ
Выполненные работы = V × q
= 20 кВ × 50 мC
= 100 Джоули
Вопрос 3: Каковы единицы СИ следующих величин:
Энергия, разность потенциалов, заряд, сопротивление
Ответ:
Единицы СИ для вышеуказанных величин:
Энергия⇢ Джоули
Разница потенциалов⇢ Напряжение
Заряд⇢ Кулон
Сопротивление⇢ Ом
Вопрос 4: Найдите ток в цепи, когда напряжение на клемме составляет 30 В, а сопротивление проводника равно 10 Ом.
No related posts.

Разное

Разность потенциалов единица измерения: Разность потенциалов. Видеоурок. Физика 10 Класс

Разность потенциалов единица измерения: Разность потенциалов. Видеоурок. Физика 10 Класс

Разность потенциалов | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Презентация измерения разности потенциалов

Каким прибором измеряется разность потенциалов

Htit,ybr yf hfpyjcnm gjntywbfkjd abpbrf

Определение разность потенциалов физика

Разность потенциалов физика величина

Почему неудобно использовать понятие потенциала для ре­шения практических задач?

Что называется разностью потенциалов?

Какие единицы измерения разности потенциалов?

Каким прибором измеряется разность потенциалов?

Что такое ЭДС, разность потенциалов и напряжение

разность потенциалов в электротехнике и физике

Разность потенциалов

Потенциометры

Видео

Эдс, разность потенциалов и напряжение — что это и в чем разница

Чем отличается ЭДС от напряжения: простое объяснение на примере

Что такое электродвижущая сила

Что такое напряжение

Так в чем же отличие

Вывод

Чем отличается ЭДС от напряжения

Чем отличается ЭДС от напряжения

Что такое напряжение

В чем разница между электрическим потенциалом, разностью потенциалов (pd), напряжением и электродвижущей силой (emf)? — спросисеть

19. Эдс, разность потенциалов и напряжение

В чем основная разница между напряжением, эдс и разностью потенциалов?

Электродвижущая сила

Эдс и закон ома

Эдс источника тока

Эдс индукции

Неэлектростатический характер ЭДС

Сторонние силы

См. также

Примечания

Понятие силы тока, ЭДС и разности потенциалов?

Потенциал. Разность потенциалов — презентация онлайн

2. Потенциальная энергия

3. Потенциальная энергия

4. Потенциальная энергия

5. Потенциал

6. Потенциал

7. Потенциал

8. Потенциал

9. Разность потенциалов

10. Разность потенциалов

11. Разность потенциалов

12. Потенциал

13. Разность потенциалов

14. Разность потенциалов

15. Задания

Контактные явления, контактная разность потенциалов

Работа выхода в металлах

Контактная разность потенциалов

3.2 Электрический потенциал и разность потенциалов — Введение в электричество, магнетизм и схемы

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ

РАЗНИЦА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ РАЗНИЦА И ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ

ПРИМЕР 3.2.1

Расчет энергии

Стратегия

Решение

Значение

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 3.4

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 3.5

Электрон-вольт

ЭЛЕКТРОН-ВОЛЬТ

Сохранение энергии

ПРИМЕР 3.2.3

Электрическая потенциальная энергия, преобразованная в кинетическую энергию

Стратегия

Решение

Значение

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 3.6

Напряжение и электрическое поле

ПРИМЕР 3.2.6

Расчет потенциала точечного заряда

Почему неудобно использовать понятие потенциала для решения практических задач?