Электрический потенциал

Электрический потенциал определяет энергию заряженной частицы. Она порождает электрическое поле и электрическую силу и является основой многих электрических явлений.

Термин «электрический потенциал» обозначается греческим символом ?. Это скалярная величина со знаком и величиной. Любой заряд создает электрический потенциал в пространстве вокруг него. Оно отличается от термина «напряжение», хотя обе эти физические величины измеряются в вольтах.

Здесь мы сначала объясним, что это за члены, обсудим параметры, влияющие на ?, а затем продемонстрируем измерение электрического потенциала вокруг заряженной сферы.

Как обсуждалось в видео «Энергия и работа», потенциальная энергия любого объекта с массой m под действием гравитационного ускорения g равна количеству работы, необходимой для перемещения этого объекта на высоту h от земли. Математически он задается формулой mgh и имеет единицу измерения в джоулях.

Аналогично, в электрическом поле E вокруг положительно заряженной поверхности потенциальная электрическая энергия в определенной точке относительно точки отсчета равна количеству работы, необходимой для перемещения положительного испытательного заряда +q от точки отсчета к этой конкретной точке. Расстояние между двумя точками обозначается буквой d. Аналогично гравитационной потенциальной энергии, электрическая потенциальная энергия является произведением q, E и d и имеет единицы измерения джоулей.

Тогда электрический потенциал или ? В этой точке поля электрическая потенциальная энергия делится на 'Q', заряд на тестовом заряде. Следовательно, единица измерения для ? — джоулей на кулон, он же вольт.

Теперь, если мы рассмотрим другую точку в поле, она будет иметь другой электрический потенциал; скажите ?0. Разность потенциалов или разница между двумя точками известна как напряжение. Это концепция, лежащая в основе аккумулятора, где положительная клемма имеет более высокий электрический потенциал по сравнению с отрицательной клеммой, а разница между двумя потенциалами является напряжением батареи.

Возвращаясь к электрическому потенциалу, вспомним, что это скалярная величина со знаком и величиной. Знак зависит от источника заряда. Вокруг изолированного положительного заряда потенциал положителен, тогда как вокруг изолированного отрицательного заряда он отрицательный.

Величина потенциала зависит от добротности исходного заряда, создающего электрическое поле, расстояния d от исходного заряда и конфигурации.

Например, электрический потенциал в любой заданной точке вокруг точечного заряда или равномерно заряженной положительной сферы с зарядом Q определяется по этой формуле. Очевидно, что ? обратно пропорционально расстоянию от сферы. А график зависимости величины электрического потенциала от расстояния на бесконечности приближается к нулю.

Эта зависимость от d также указывает на то, что все места в одинаковом радиусе от заряженной сферы будут иметь одинаковый потенциал. Это означает, что вокруг заряженной сферы существуют эквипотенциальные поверхности сферической формы.

Теперь, когда мы объяснили концепции, лежащие в основе электрического потенциала и разности потенциалов, давайте посмотрим, как проверить эти принципы экспериментально с помощью заряженной сферы.

В этом эксперименте используется генератор Ван дер Граффа для зарядки металлической сферы. Подключите отрицательную клемму вольтметра к контрольной клемме генератора или заземлению. С помощью кабеля подсоедините положительную клемму вольтметра к наконечнику щупа.

Поверните кривошип генератора не менее 10 раз, чтобы зарядить сферу, затем включите вольтметр и поместите наконечник щупа напряжения примерно в полуметре от центра сферы. Запишите показания напряжения в этом месте.

Перемещайте наконечник щупа вокруг сферы, сохраняя постоянный радиус в полметра от центра. В течение этого времени наблюдайте за измерениями вольтметра и обращайте внимание на то, как показания остаются постоянными, указывая на сферическую эквипотенциальную поверхность.

Повторите эту процедуру с наконечником щупа на расстоянии одного метра, а затем в полутора метрах от центра сферы.

График зависимости измеренного потенциала от расстояния показывает кривую, которая уменьшается обратно пропорционально расстоянию, что подтверждает теоретическую связь между электрическим потенциалом и расстоянием для заряженной сферы.

Электрический потенциал является одной из наиболее часто используемых электрических величин и имеет основополагающее значение для хранения и высвобождения электрической энергии.

Электронный микроскоп использует высокую разность электрических потенциалов для ускорения электронов в пучке, который бомбардирует исследуемый образец. Эти электроны действуют как свет в оптическом микроскопе, но с гораздо меньшими длинами волн и гораздо большим пространственным разрешением, что позволяет визуализировать структуры субмикронного размера.

Электрический потенциал является важным компонентом гель-электрофореза - метода молекулярной биологии, обычно используемого для разделения больших молекул, таких как ДНК, по размеру и заряду. В этой технике материал образца помещается на пластину агарозного геля и между концами создается электрическая разность потенциалов. В образовавшемся электрическом поле различные молекулы и молекулярные фрагменты движутся со скоростью, которая зависит от заряда и молекулярной массы.

Вы только что посмотрели презентацию JoVE по электрическому потенциалу. Теперь вы должны знать, как измерять электрический потенциал, и понимать, как он влияет на заряды и связан с электрической потенциальной энергией. Спасибо за просмотр!