電位

Physics II

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Overview

ソース: 龍 p. 陳博士は、物理学科 & 天文学、科学の大学、パーデュー大学、ウェスト ラファイエット, インディアナ

電位とも呼ばれる「電圧」、単位電荷あたりの電気潜在的なエネルギーを測定します。電場はスカラー量であるし、多くの電気効果の基本であります。潜在的なエネルギーのような電位の違いは、物理的に意味があります。たとえば、電位の空間的変化は充電で電気の力に上昇を与える電界に関連です。抵抗の 2 点間の電位の違いは、電気電流を駆動します。

この実験は荷電球によって生成される電気潜在性 (より正確には、空間の二点間電位差) を示すために電圧計と蛍光管の両方を使用します。実験は、電場に垂直な等電位面の概念を示します。

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JoVE Science Education Database. 物理学の基礎 II. 電位. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

点電荷 Q が原点に位置する (r = 0) 電位が生成されます。

Equation 1(関係式 1)

空間電荷から距離 r の任意の時点で (起源の r = 0)。方程式 1は一様に帯電球によって生成される電気潜在性についても説明します (r を中心とした = 0) (図 1) の球の外のスペースの総電荷量 Q と。両方のケースで (可能性はゼロ)「参照」点電荷から無限の距離です。電位は、電場の方向は、放射状の方向に沿って変化します。

2 点 P1と P2の距離 r1 r2原点 (電荷の中心) から、それぞれ、これらの 2 つの点の間の電位差はします。

Equation 2(式 2)

点 P2は、無限遠 (→∞) には場合、式 1式 2は下がります。したがって、これらの 2 つの点の起源 (充電部) 距離が異なる場合、2 点間の電位差があります。原点を中心とする球形の表面はこの場合「等電位表面」です。この場合、(半径方向) に沿って電場は電位面 (球) に垂直に注意してください。これは一般的に真であることが判明: 等電位面は電場の方向に垂直になります。

Figure 1

図 1:電動発電機に接続されている荷電球を示す図。電圧計を使用して、(球の中心から距離 r) と"A"の時点で電位を測定します。

Procedure

1. 帯電球による電位

  1. 金属球の電荷を置くことができますヴァン der グラフ ジェネレーターを取得します。球の中心は、この実験の原点として定義されます。
  2. 電圧計を取得します。(導電性ケーブルを使用して) その「−」ターミナル地面またはヴァン der グラフ ジェネレーターにターミナル参照または接続 (大導電管) など電気地面遠く (少なくとも数メートル) ジェネレーターから。その「+」端末を動かすことができる電圧プローブの先端で電圧計のケーブルに接続します。回路の接続を図 1に示します。
  3. 球を充電する少なくとも 10 ターン発電機のクランクを回します。
  4. (電圧計の「+」端子に接続) 電圧プローブの先端を置くオン電圧計で起源から約 0.5 m です。必要に応じて、測定したり、あらかじめ距離をマークする定規を使用します。電圧電圧計の読みを記録します。先端を動かすが、原点からの距離を維持します。電圧計読書を観察します。
  5. 電圧プローブの先端がそれぞれ約 1 m と 1.5 m に配置されますと上記の手順を繰り返します。
  6. (手持ち) 蛍光管を取得します。荷電球 (図 2 a) の中心から約 0.5 m にチューブをもたらします。最初に、それは球から放射状の方向に沿って、チューブを向けます。チューブ (相対的な暗闇の中での観察を容易にするため、ライトをオフにする) を確認します。90 度回転チューブは放射状の方向 (図 2 b) に垂直になるように。チューブを再度確認します。

Figure 3
図 2: 電動発電機に接続されている荷電球を示す図。蛍光管を使用して、チューブの 2 つの端間の電位差を示します。場合 (a) 管が放射状の方向に沿った(b) 管、半径方向に垂直に方向です。

電位は、荷電粒子のエネルギーを定義します。電界と電気力線に上昇を与え、多くの電気現象の基礎であります。

言葉電気潜在性は、ギリシャ語のシンボル Φ で示されます。記号と大きさを持つスカラー量です。任意の電荷は、それの周りの空間の電位を作成します。電圧、用語から両方これらの物理量は、ボルトで測定されますが、違います。

ここでは、これらの用語は何、Φ に影響を与えるし、帯電球まわりの電位の測定を紹介し、パラメーターを話し合う最初説明いたします。

前述のエネルギーと作業のビデオ、重力加速度gの影響の下で質量mの任意のオブジェクトの潜在的なエネルギーは地面からの高さhによってオブジェクトを移動する必要な作業の量に等しい。数学的に、それは式mghで与えられる、ジュールの単位を有する。

同様に、正荷電の表面の周りの電界強度E 、電気潜在的なエネルギーの基準点を基準にして特定の時点では特定の時点への参照から陽性の検査料 +qを移動する必要な作業の量です。2 つのポイント間の距離は、文字dで表されます。重力ポテンシャル エネルギーと同様、電気潜在的なエネルギーのqE d製品、ジュールの単位。

電位やフィールドでその時点で Φ 'q'、試験電荷の電荷で割った電気潜在的なエネルギーです。したがって、Φ の単位はクーロン、別名ボルトあたりジュールです。

今、フィールドの別のポイントを考慮するだろう異なる電位。Φ0 を言います。電位差またはΦdiff 2 点間の電圧として知られています。これは、バッテリーのプラス端子マイナス端子と比較して高い電位では、2 つのポテンシャルの違いはバッテリーの電圧の背後にある概念です。

電位に戻って、記号と大きさを持つスカラー量であることを思い出してください。サインは、ソース間電荷量に依存します。分離の正の電荷の周りの可能性は肯定的な分離の負電荷の周り、それが負の値に対しです。

可能性の大きさの電界、ソース電荷から距離dの生産、ソース間電荷量Qに依存します。

たとえば、点電荷または一様に帯電電荷量 Q 正球の周りの任意の時点で電位はこの式で与えられます。それは明らかにその Φ は球からの距離に反比例します。電気の潜在的な大きさと距離のグラフは無限遠でゼロに近づいて、電気潜在的な価値を持つ逆正方形プロット。

Dこの依存はまた荷電球から同じ半径ですべての場所が同じ可能性があることを示します。これはある意味等電位表面荷電球のまわりの球形の形。

電気潜在的な潜在的な違いの背後にある概念を説明した、これらの原則は、荷電球を用いて実験を検証する方法をみましょう。

この実験は、金属球を充電するのにファン ・ デル ・ グラフ ジェネレーターを使用します。ジェネレーターの参照端末または地面に電圧計のマイナス端子を接続します。プローブ ・ チップに電圧計のプラス端子を接続するのにケーブルを使用します。

球を充電し、電圧計をオンにし、球の中心から離れた場所に約半分メートル電圧プローブの先端にジェネレーターのクランクに少なくとも 10 回をオンにします。電圧のこの場所で読み取りを記録します。

中心からの 1 つの半分メートルの一定の半径を維持しながらプローブ先端球の周りを移動します。この時、電圧計の測定を観察し、どのように読書は球形の等電位表面を示す一定のままに注意してください。

1 メートルとし、球の中心から 1 メートルの距離でプローブの先端でこの手順を繰り返します。

距離対測定電位のプロットには、電位と帯電球の距離との間の理論的関係を検証の距離と反比例減少曲線が表示されます。

電位は最も一般的に使用される電気量の一つ、ストレージと電気エネルギーの放出に不可欠です。

電子顕微鏡検査サンプルを衝撃するビームの電子を加速するのに高い電位差を使用します。これらの電子は、光学顕微鏡の光のような行動が、多くのより小さい波長とはるかに大きい空間解像度、サイズ構造のサブミクロンを視覚化する機能を有効にします。

電位は、ゲル電気泳動 - 一般的サイズとチャージによる DNA などの巨大分子を区切るために使用する分子生物学の技術の重要なコンポーネントです。この手法は、スラブ agarose のゲルのサンプル素材を配置し、電気電位差が端の間適用されます。結果として得られる電界で様々 な分子と分子のフラグメントは、電荷と分子量に依存する速度で移動します。

ゼウスの電位入門を見てきただけ。今、電位を測定し、どのように料金に影響し、電気潜在的なエネルギーに関連を理解する方法を知っている必要があります。見てくれてありがとう!

Results

プローブの先端は原点から同じような距離に保たれている場合と同様の測定値を与える手順 1.4-1.5 で電圧計を観察できる (つまり、等電位面)。ただし、電圧プローブを原点から遠く移動する場合を削除します。電圧 1 m と 1.5 m で読書になります約 1/2、1/3 0.5 m で読書のそれぞれ。逆距離対電圧 V を測定した場合、(1/r) をプロット、直線結果、方程式 1から期待どおりに。

Applications and Summary

電位 (電圧) は、ユビキタスでおそらく最も一般的電気量を使用します。多いにもかかわらず、2 つは互いに関連することができます (あるベクトル) 電界より (あるスカラー) 電位を利用すると便利。電気潜在的な違いを使用して、たとえば、テレビ画面や電子顕微鏡料金動き (加速/減速/逸れ料金) を駆動・制御します。電気電位差 (通常呼んで電圧) が現在どのようなドライブも指揮者の流れ。1 つは電圧を測定するたびに 1 つ (1 つは時々 参照ポイントまたはゼロの可能性がある定義されている地面) の 2 点間の電位差を測定します。

実験の著者は、材料準備のためゲイリー ハドソンとビデオの手順を示すため Chuanhsun Li の支援を認めています。

1. 帯電球による電位

  1. 金属球の電荷を置くことができますヴァン der グラフ ジェネレーターを取得します。球の中心は、この実験の原点として定義されます。
  2. 電圧計を取得します。(導電性ケーブルを使用して) その「−」ターミナル地面またはヴァン der グラフ ジェネレーターにターミナル参照または接続 (大導電管) など電気地面遠く (少なくとも数メートル) ジェネレーターから。その「+」端末を動かすことができる電圧プローブの先端で電圧計のケーブルに接続します。回路の接続を図 1に示します。
  3. 球を充電する少なくとも 10 ターン発電機のクランクを回します。
  4. (電圧計の「+」端子に接続) 電圧プローブの先端を置くオン電圧計で起源から約 0.5 m です。必要に応じて、測定したり、あらかじめ距離をマークする定規を使用します。電圧電圧計の読みを記録します。先端を動かすが、原点からの距離を維持します。電圧計読書を観察します。
  5. 電圧プローブの先端がそれぞれ約 1 m と 1.5 m に配置されますと上記の手順を繰り返します。
  6. (手持ち) 蛍光管を取得します。荷電球 (図 2 a) の中心から約 0.5 m にチューブをもたらします。最初に、それは球から放射状の方向に沿って、チューブを向けます。チューブ (相対的な暗闇の中での観察を容易にするため、ライトをオフにする) を確認します。90 度回転チューブは放射状の方向 (図 2 b) に垂直になるように。チューブを再度確認します。

Figure 3
図 2: 電動発電機に接続されている荷電球を示す図。蛍光管を使用して、チューブの 2 つの端間の電位差を示します。場合 (a) 管が放射状の方向に沿った(b) 管、半径方向に垂直に方向です。

電位は、荷電粒子のエネルギーを定義します。電界と電気力線に上昇を与え、多くの電気現象の基礎であります。

言葉電気潜在性は、ギリシャ語のシンボル Φ で示されます。記号と大きさを持つスカラー量です。任意の電荷は、それの周りの空間の電位を作成します。電圧、用語から両方これらの物理量は、ボルトで測定されますが、違います。

ここでは、これらの用語は何、Φ に影響を与えるし、帯電球まわりの電位の測定を紹介し、パラメーターを話し合う最初説明いたします。

前述のエネルギーと作業のビデオ、重力加速度gの影響の下で質量mの任意のオブジェクトの潜在的なエネルギーは地面からの高さhによってオブジェクトを移動する必要な作業の量に等しい。数学的に、それは式mghで与えられる、ジュールの単位を有する。

同様に、正荷電の表面の周りの電界強度E 、電気潜在的なエネルギーの基準点を基準にして特定の時点では特定の時点への参照から陽性の検査料 +qを移動する必要な作業の量です。2 つのポイント間の距離は、文字dで表されます。重力ポテンシャル エネルギーと同様、電気潜在的なエネルギーのqE d製品、ジュールの単位。

電位やフィールドでその時点で Φ 'q'、試験電荷の電荷で割った電気潜在的なエネルギーです。したがって、Φ の単位はクーロン、別名ボルトあたりジュールです。

今、フィールドの別のポイントを考慮するだろう異なる電位。Φ0 を言います。電位差またはΦdiff 2 点間の電圧として知られています。これは、バッテリーのプラス端子マイナス端子と比較して高い電位では、2 つのポテンシャルの違いはバッテリーの電圧の背後にある概念です。

電位に戻って、記号と大きさを持つスカラー量であることを思い出してください。サインは、ソース間電荷量に依存します。分離の正の電荷の周りの可能性は肯定的な分離の負電荷の周り、それが負の値に対しです。

可能性の大きさの電界、ソース電荷から距離dの生産、ソース間電荷量Qに依存します。

たとえば、点電荷または一様に帯電電荷量 Q 正球の周りの任意の時点で電位はこの式で与えられます。それは明らかにその Φ は球からの距離に反比例します。電気の潜在的な大きさと距離のグラフは無限遠でゼロに近づいて、電気潜在的な価値を持つ逆正方形プロット。

Dこの依存はまた荷電球から同じ半径ですべての場所が同じ可能性があることを示します。これはある意味等電位表面荷電球のまわりの球形の形。

電気潜在的な潜在的な違いの背後にある概念を説明した、これらの原則は、荷電球を用いて実験を検証する方法をみましょう。

この実験は、金属球を充電するのにファン ・ デル ・ グラフ ジェネレーターを使用します。ジェネレーターの参照端末または地面に電圧計のマイナス端子を接続します。プローブ ・ チップに電圧計のプラス端子を接続するのにケーブルを使用します。

球を充電し、電圧計をオンにし、球の中心から離れた場所に約半分メートル電圧プローブの先端にジェネレーターのクランクに少なくとも 10 回をオンにします。電圧のこの場所で読み取りを記録します。

中心からの 1 つの半分メートルの一定の半径を維持しながらプローブ先端球の周りを移動します。この時、電圧計の測定を観察し、どのように読書は球形の等電位表面を示す一定のままに注意してください。

1 メートルとし、球の中心から 1 メートルの距離でプローブの先端でこの手順を繰り返します。

距離対測定電位のプロットには、電位と帯電球の距離との間の理論的関係を検証の距離と反比例減少曲線が表示されます。

電位は最も一般的に使用される電気量の一つ、ストレージと電気エネルギーの放出に不可欠です。

電子顕微鏡検査サンプルを衝撃するビームの電子を加速するのに高い電位差を使用します。これらの電子は、光学顕微鏡の光のような行動が、多くのより小さい波長とはるかに大きい空間解像度、サイズ構造のサブミクロンを視覚化する機能を有効にします。

電位は、ゲル電気泳動 - 一般的サイズとチャージによる DNA などの巨大分子を区切るために使用する分子生物学の技術の重要なコンポーネントです。この手法は、スラブ agarose のゲルのサンプル素材を配置し、電気電位差が端の間適用されます。結果として得られる電界で様々 な分子と分子のフラグメントは、電荷と分子量に依存する速度で移動します。

ゼウスの電位入門を見てきただけ。今、電位を測定し、どのように料金に影響し、電気潜在的なエネルギーに関連を理解する方法を知っている必要があります。見てくれてありがとう!

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