Elektrisches Potential

Das elektrische Potential definiert die Energie eines geladenen Teilchens. Sie führt zu einem elektrischen Feld und einer elektrischen Kraft und ist die Grundlage vieler elektrischer Phänomene.

Der Begriff elektrisches Potential wird mit dem griechischen Symbol ? bezeichnet. Es handelt sich um eine skalare Größe mit einem Vorzeichen und einer Größe. Jede Ladung erzeugt elektrisches Potential im Raum um sie herum. Er unterscheidet sich vom Begriff Spannung, obwohl diese beiden physikalischen Größen in Volt gemessen werden.

Hier erklären wir zunächst, was diese Begriffe sind, diskutieren die Parameter, die ? beeinflussen, und demonstrieren dann die Messung des elektrischen Potentials um eine geladene Kugel.

Wie im Video Energie und Arbeit diskutiert, ist die potentielle Energie eines Objekts mit der Masse m unter dem Einfluss der Gravitationsbeschleunigung g gleich der Menge an Arbeit, die erforderlich ist, um dieses Objekt um eine Höhe h vom Boden zu bewegen. Mathematisch ist es durch die Formel mgh gegeben und hat die Einheit Joule.

In ähnlicher Weise ist im elektrischen Feld E um eine positiv geladene Oberfläche die elektrische potentielle Energie an einem bestimmten Punkt relativ zu einem Referenzpunkt der Arbeitsaufwand, der erforderlich ist, um eine positive Testladung +q von der Referenz zu diesem spezifischen Punkt zu bewegen. Der Abstand zwischen den beiden Punkten wird mit dem Buchstaben d bezeichnet. Analog zur potentiellen Gravitationsenergie ist die elektrische potentielle Energie das Produkt von q, E und d und hat die Einheiten? von Joule.

Dann wird das elektrische Potential oder ? An diesem Punkt im Feld ist die elektrische potentielle Energie geteilt durch 'q', die Ladung der Testladung. Daher ist die Einheit für ? ist Joule pro Coulomb, auch bekannt als Volt.

Wenn wir nun einen anderen Punkt auf dem Feld betrachten, hätte er ein anderes elektrisches Potential; Sagen Sie ?0. Die Potentialdifferenz oder -differenz zwischen den beiden Punkten wird als Spannung bezeichnet. Dies ist das Konzept hinter einer Batterie, bei der der Pluspol im Vergleich zum Minuspol ein höheres elektrisches Potential hat und die Differenz zwischen den beiden Potentialen die Spannung der Batterie ist.

Um auf das elektrische Potential zurückzukommen, denken Sie daran, dass es sich um eine skalare Größe mit einem Vorzeichen und einer Größe handelt. Das Vorzeichen hängt von der Quellengebühr ab. Um eine isolierte positive Ladung herum ist das Potential positiv, während es um eine isolierte negative Ladung negativ ist.

Die Größe des Potentials hängt von der Q der Quellladung ab, die das elektrische Feld erzeugt, dem Abstand d von der Quellladung und der Konfiguration.

Zum Beispiel ist das elektrische Potential an einem gegebenen Punkt um eine Punktladung oder eine gleichmäßig geladene positive Kugel mit der Ladung Q durch diese Formel gegeben. Es ist offensichtlich, dass ? ist umgekehrt proportional zum Abstand von der Kugel. Und der Graph der Größe des elektrischen Potentials in Abhängigkeit von der Entfernung nähert sich bei unendlich Null.

Diese Abhängigkeit von d deutet auch darauf hin, dass alle Orte mit dem gleichen Radius von der geladenen Kugel das gleiche Potential hätten. Das bedeutet, dass es um eine geladene Kugel Äquipotentialflächen kugelförmiger Form gibt.

Nachdem wir nun die Konzepte hinter dem elektrischen Potential und der Potentialdifferenz erklärt haben, sehen wir uns an, wie diese Prinzipien experimentell mit einer geladenen Kugel validiert werden können.

Dieses Experiment verwendet einen Van-der-Graff-Generator, um eine Metallkugel aufzuladen. Verbinden Sie den Minuspol eines Voltmeters mit dem Referenzanschluss oder der Masse des Generators. Verwenden Sie ein Kabel, um den Pluspol des Voltmeters mit einer Sondenspitze zu verbinden.

Drehen Sie die Kurbel des Generators mindestens 10 Mal, um die Kugel aufzuladen, schalten Sie dann das Voltmeter ein und platzieren Sie die Spitze der Spannungssonde etwa einen halben Meter von der Mitte der Kugel entfernt. Notieren Sie den Spannungsmesswert an dieser Stelle.

Bewegen Sie die Sondenspitze um die Kugel herum, während Sie einen konstanten Radius von einem halben Meter von der Mitte beibehalten. Beobachten Sie während dieser Zeit die Voltmetermessungen und notieren Sie, wie der Messwert konstant bleibt, was auf eine kugelförmige Äquipotentialfläche hinweist.

Wiederholen Sie diesen Vorgang mit der Sondenspitze in einem Abstand von einem Meter und dann eineinhalb Meter von der Mitte der Kugel.

Das Diagramm des gemessenen Potentials über die Entfernung zeigt eine Kurve, die umgekehrt mit der Entfernung abnimmt, was die theoretische Beziehung zwischen elektrischem Potential und Entfernung für eine geladene Kugel bestätigt.

Das elektrische Potential ist eine der am häufigsten genutzten elektrischen Größen und grundlegend für die Speicherung und Abgabe elektrischer Energie.

Ein Elektronenmikroskop nutzt eine hohe elektrische Potentialdifferenz, um Elektronen in einem Strahl zu beschleunigen, der die zu untersuchende Probe bombardiert. Diese Elektronen verhalten sich wie ein Licht in einem optischen Mikroskop, jedoch mit viel kleineren Wellenlängen und einer viel größeren räumlichen Auflösung, was die Visualisierung von Strukturen im Submikrometerbereich ermöglicht.

Das elektrische Potential ist ein wichtiger Bestandteil der Gelelektrophorese - einer molekularbiologischen Technik, die häufig zur Trennung großer Moleküle wie DNA nach Größe und Ladung verwendet wird. Bei dieser Technik wird das Probenmaterial auf eine Platte aus Agarosegel gelegt und eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den Enden angelegt. In dem entstehenden elektrischen Feld bewegen sich die verschiedenen Moleküle und Molekülfragmente mit Geschwindigkeiten, die von der Ladung und dem Molekulargewicht abhängen.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in das elektrische Potenzial gesehen. Sie sollten jetzt wissen, wie man das elektrische Potenzial misst und wie es sich auf die Ladungen auswirkt und mit der elektrischen potentiellen Energie zusammenhängt. Danke fürs Zuschauen!