Elektrisches Potential

Physics II

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Overview

Quelle: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics & Astronomie, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN

Elektrisches Potential, auch bekannt als "Spannung", misst die elektrische potentielle Energie pro Einheit berechnet. Elektrische Feld ist eine skalare Größe und ist für viele elektrische Effekte von grundlegender Bedeutung. Wie potentielle Energie ist was physikalisch sinnvolle der Unterschied des elektrischen Potenzials. Beispielsweise bezieht sich die räumliche Variation in das elektrische Potenzial auf das elektrische Feld, die Anlass für die elektrische Kraft auf eine Gebühr. Der Unterschied des elektrischen Potenzials zwischen zwei Punkten in einem Widerstand treibt den elektrischen Stromfluss.

Dieses Experiment wird ein Voltmeter und einer Leuchtstoffröhre verwenden, um das elektrische Potential (genauer gesagt, die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten im Raum) erzeugt durch eine geladene Kugel zu demonstrieren. Das Experiment zeigt das Konzept der Potentialausgleich Oberflächen, die senkrecht auf die elektrischen Felder sind.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Grundlagen der Physik II. Elektrisches Potential. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

Eine Punktladung Q befindet sich am Ursprung (R = 0) erzeugt eine elektrische Spannung:

Equation 1(Gleichung 1)

an jedem Punkt im Raum mit einem Abstand R von der Ladung (im Ursprung R = 0). Gleichung 1 beschreibt auch das elektrische Potential produziert durch eine gleichmäßig geladenen Kugel (zentriert auf R = 0) mit Gesamtladung Q in den Raum außerhalb der Sphäre (Abbildung 1). In beiden Fällen ist der "Bezugspunkt" (wobei das Potential Null ist) an den unendlich weit weg von der Ladung. Das elektrische Potenzial variiert entlang radialer Richtung, der die Richtung des elektrischen Feldes ist.

Für zwei Punkte P1 und P2 mit Abstand R1 und R2 vom Ursprung (Mitte der Ladung) bzw. ist die Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Punkten:

Equation 2(Gleichung 2)

Punkt P2 im unendlichen (→∞) ist, reduziert diese Gleichung 2 nach Gleichung 1. Daher gibt es eine Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten, wenn und nur wenn diese beiden Punkte einen unterschiedlichen Abstand vom Ursprung (Mitte der Ladung haben). Eine sphärische Fläche am Ursprung zentriert ist in diesem Fall eine "Potentialausgleich Oberfläche". Beachten Sie in diesem Fall das elektrische Feld (entlang der radialen Richtung) senkrecht zur Erdung Oberfläche (Sphäre). Dies erweist sich um in der Regel wahr zu sein: die Erdung Oberfläche ist senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes.

Figure 1

Abbildung 1: Schematische Darstellung einer geladenen Kugel mit einem elektrischen Generator verbunden. Ein Voltmeter wird verwendet, um das elektrische Potential an einem Punkt "A" (mit Abstand R vom Mittelpunkt der Kugel) zu messen.

Procedure

1. elektrisches Potential aufgrund einer geladenen Kugel

  1. Erhalten Sie einen van der Graff-Generator, der kostenlos auf eine Metallkugel setzen kann. Der Mittelpunkt der Kugel ist definiert als der Ursprung für dieses Experiment.
  2. Erhalten Sie ein Voltmeter. Verbinden Sie (mit Durchführung von Kabeln) "−" terminal auf den Boden oder Referenz terminal am van der Graff Generator, oder eine Erdung (z. B. ein großes leitfähige Rohr) weit weg (mindestens ein paar Meter) vom Generator. Verbinden Sie die Klemme "+" mit einem Voltmeter Kabel mit einer Spannung Sondenspitze, die bewegt werden kann. Die schematische Verbindung ist in Abbildung 1dargestellt.
  3. Drehen Sie die Kurbel des Generators um mindestens 10 Umdrehungen, die Kugel zu berechnen.
  4. Mit dem Voltmeter eingeschaltet, setzen Sie die Spitze des Prüfpunkts Spannung (verbunden mit dem "+" Terminal das Voltmeter) ca. 0,5 m vom Ursprung. Verwenden Sie ein Lineal, Messen oder den Abstand vorher markieren, falls gewünscht. Notieren Sie die Spannung auf das Voltmeter lesen. Bewegen Sie die Spitze, aber halten Sie den Abstand vom Ursprung. Beobachten Sie das Voltmeter lesen.
  5. Wiederholen Sie den obigen Schritt mit der Spannung Sondenspitze bzw. ca. 1 m und 1,5 m platziert.
  6. Erhalten Sie ein Fluoreszenz-Rohr (Handheld). Bringen Sie das Rohr auf ca. 0,5 m Weg von der Mitte der geladenen Kugel ( Abb. 2a). Zunächst orientieren Sie das Rohr, so dass es in der radialen Richtung Weg von der Kugel. Beobachten Sie das Rohr (Schalten Sie die Lichter, die Beobachtung in relativer Dunkelheit zu erleichtern). Dann drehen Sie das Rohr um 90 Grad, so dass sie in radialer Richtung ( Abb. 2 b) senkrecht steht. Beobachten Sie das Rohr wieder.

Figure 3
Abbildung 2: Schematische Darstellung einer geladenen Kugel mit einem elektrischen Generator verbunden. Eine Fluoreszenz-Röhre wird verwendet, um die Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden des Rohres angeben. Im Falle von (a) das Rohr orientiert sich entlang der radialen Richtung; und (b) das Rohr wird orientierten senkrecht zur Radialrichtung.

Elektrisches Potential definiert die Energie eines geladenen Teilchens. Es entstehen elektrische Feld und elektrische Kraft und ist die Grundlage für viele elektrische Phänomene.

Der Begriff elektrisches Potential wird durch das griechische Symbol Φ gekennzeichnet. Es ist eine skalare Größe mit einem Schild und Größenordnung. Kostenlos erstellt elektrisches Potential in den Raum um ihn herum. Es unterscheidet sich von dem Begriff Spannung, obwohl beide diese physikalischen Größen in Volt gemessen werden.

Hier werden wir zunächst erklären, was diese Begriffe sind, die Parameter zu diskutieren, die Φ betreffen, und dann zeigen die Messung der elektrischen Spannung um eine geladene Kugel.

Wie besprochen in der Energie und Arbeit video, potentielle Energie eines beliebigen Objekts der Masse m unter dem Einfluss der Erdbeschleunigung g entspricht die Menge der Arbeit benötigt, um das Objekt bewegen von einer Höhe h über dem Boden ist. Mathematisch, es ergibt sich aus der Formel Mgh und hat die Einheit Joule.

Ebenso ist die elektrische potentielle Energie an einem bestimmten Punkt relativ zu einem Bezugspunkt in das elektrische Feld E auf einer positiv geladenen Oberfläche, die Menge der Arbeit notwendig, um einen positiven Test kostenlos +Q aus dem Verweis auf diesen speziellen Punkt zu bewegen. Der Abstand zwischen den beiden Punkten wird durch den Buchstaben dgekennzeichnet. Analog zu der potenzielle Energie, die elektrische potentielle Energie ist das Produkt der Q, E, und d, und hat die Einheiten Joule.

Dann ist das elektrische Potential bzw. Φ zu diesem Zeitpunkt auf dem Gebiet der elektrische potentielle Energie geteilt durch "Q", die Ladung auf der Test-kostenlos. Daher ist die Einheit für Φ Joule pro Coulomb, AKA Volt.

Nun, wenn man bedenkt, dass ein weiterer Punkt im Feld, hätte es ein anderes elektrisches Potential; sagen Sie Φ0. Die Potentialdifferenz oder Φdiff zwischen den beiden Punkten wird als Spannung bezeichnet. Dies ist das Konzept hinter einer Batterie, wo der Pluspol ist auf einem höheren elektrischen Potenzial im Vergleich zu den Minuspol und der Unterschied zwischen den beiden Potentialen ist die Spannung der Batterie.

Erinnern Sie auf elektrisches Potential zurückzukommen, daran, dass es eine skalare Größe mit einem Schild und Größenordnung. Das Schild hängt von der Quelle kostenlos. Um eine isolierte positive Ladung ist das Potenzial positiv, während rund um eine isolierte negative Ladung negativ ist.

Das Ausmaß des Potenzials hängt die Q die Quelle kostenlos Herstellung des elektrischen Feldes, der Abstand d von der Quelle kostenfrei und die Konfiguration.

Zum Beispiel ist das elektrische Potential an jedem beliebigen Punkt um eine Punktladung oder eine gleichmäßig geladenen positiven Kugel mit Ladung Q durch diese Formel gegeben. Es ist offensichtlich, dass Φ ist umgekehrt proportional zum Abstand von der Kugel. Und der Graph der elektrischen potenziellen Schadensausmaßes versus Distanz ist eine inverse quadratische Grundstück mit den elektrischen potenziellen Wert nähert sich Null im unendlichen.

Diese Abhängigkeit von d zeigt auch, dass alle Standorte auf den gleichen Radius von der geladenen Kugel das gleiche Potential haben würde. Dies bedeutet, dass es Potentialausgleich Oberflächen der Kugelform um eine geladene Kugel.

Jetzt, da wir die Konzepte hinter elektrischen Potenzial und mögliche Unterschied beschrieben habe, mal sehen, wie diese Prinzipien, die experimentell mit einer geladenen Kugel zu validieren.

Dieses Experiment verwendet einen Van der Graff-Generator, um eine Metallkugel zu berechnen. Verbinden Sie den Minuspol ein Voltmeter mit des Generators Referenz Terminal oder Boden. Verwenden Sie ein Kabel, um den Pluspol der Voltmeter mit einer Prüfspitze verbinden.

Drehen Sie die Kurbel des Generators mindestens 10 Mal laden die Kugel dann schalten Sie das Voltmeter und setzen Sie die Spitze der Sonde Spannung über einem halben Meter entfernt vom Zentrum der Kugel. Notieren Sie die Spannung an dieser Stelle lesen.

Bewegen Sie die Spitze der Sonde um die Kugel unter Beibehaltung eines konstanten Radius von 1,5 Meter vom Zentrum entfernt. Während dieser Zeit beobachten Sie die Voltmeter Messungen und beachten Sie, wie die Lesung zeigt ein Potentialausgleich Kugeloberfläche konstant bleibt.

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

Die Handlung der gemessene Potential gegenüber Distanz zeigt eine Kurve, die umgekehrt mit Abstand, die überprüft die theoretische Beziehung zwischen elektrisches Potential und den Abstand für eine geladene Kugel sinkt.

Elektrisches Potential ist eine der am häufigsten verwendeten elektrischen Größen und ist grundlegend für die Speicherung und Freisetzung von elektrischer Energie.

Ein Elektronenmikroskop verwendet eine hohe elektrische Potentialdifferenz, um Elektronen in einem Strahl zu beschleunigen, die die Probe unter Prüfung bombardiert. Diese Elektronen verhalten sich wie ein Licht in einem optischen Mikroskop, aber mit viel kleineren Wellenlängen und viel größere räumliche Auflösung, so dass die Fähigkeit zu visualisieren, Sub-Mikrometer Größe Strukturen.

Elektrisches Potential ist ein wichtiger Bestandteil der Gelelektrophorese - eine molekularbiologische Technik häufig zur Trennung von großer Molekülen wie DNA, von Größe und Ladung verwendet. Bei dieser Technik Probenmaterial wird auf eine Platte aus Agarosegel gelegt und eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den Enden angewendet wird. In das entstehende elektrische Feld bewegen sich die verschiedenen Moleküle und Molekülfragmente mit Geschwindigkeiten, die kostenlos und Molekulargewicht abhängig.

Sie sah nur Jupiters Einführung in elektrisches Potential. Sie sollten jetzt wissen, wie Sie messen elektrisches Potential, und verstehen, wie es wirkt sich auf Gebühren und bezieht sich auf elektrische potentielle Energie. Danke fürs Zuschauen!

Results

In Schritten 1.4-1.5, das Voltmeter beobachtet werden, ähnlich wie Lesungen geben, wenn die Sondenspitze auf ähnliche Entfernungen vom Ursprung gehalten wird (d. h. auf eine Erdung Oberfläche). Allerdings sinkt die Spannung, wenn die Sonde weiter bewegt sich weg von der Herkunft. Die Spannung bei 1 m und 1,5 m Entfernung lesen werden ca. 1/2 und 1/3 der Lesung bei 0,5 m bzw.. Wenn die Spannung V gegen die inverse Distanz gemessen (1/R) aufgetragen, ergibt sich eine gerade Linie, erwartungsgemäß von Gleichung 1.

Applications and Summary

Elektrisches Potential (Spannung) ist allgegenwärtig und vielleicht die am häufigsten verwendeten Menge Strom. Es ist oft viel bequemer zu bedienen elektrisches Potential (das ist ein Skalar) als elektrisches Feld (das ist ein Vektor), obwohl die beiden miteinander verbunden werden können. Elektrische Potentialdifferenz wird Antriebs- und Steuerungstechnik kostenlos Bewegung (beschleunigen/verlangsamen/abzulenken-Gebühren), zum Beispiel in einem TV-Bildschirm oder Elektronenmikroskop. Elektrische Potentialdifferenz (was wir in der Regel Spannung nennen) treibt auch aktuelle Strömung in einem Leiter. Wann immer man eine Spannung misst, misst man die elektrische Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten (von denen manchmal einen Bezugspunkt oder Boden definiert Nullpotential ist).

Der Autor des Experiments anerkennt die Unterstützung von Gary Hudson für die Vorbereitung des Materials und Chuanhsun Li für den Nachweis der Schritte in dem Video.

1. elektrisches Potential aufgrund einer geladenen Kugel

  1. Erhalten Sie einen van der Graff-Generator, der kostenlos auf eine Metallkugel setzen kann. Der Mittelpunkt der Kugel ist definiert als der Ursprung für dieses Experiment.
  2. Erhalten Sie ein Voltmeter. Verbinden Sie (mit Durchführung von Kabeln) "−" terminal auf den Boden oder Referenz terminal am van der Graff Generator, oder eine Erdung (z. B. ein großes leitfähige Rohr) weit weg (mindestens ein paar Meter) vom Generator. Verbinden Sie die Klemme "+" mit einem Voltmeter Kabel mit einer Spannung Sondenspitze, die bewegt werden kann. Die schematische Verbindung ist in Abbildung 1dargestellt.
  3. Drehen Sie die Kurbel des Generators um mindestens 10 Umdrehungen, die Kugel zu berechnen.
  4. Mit dem Voltmeter eingeschaltet, setzen Sie die Spitze des Prüfpunkts Spannung (verbunden mit dem "+" Terminal das Voltmeter) ca. 0,5 m vom Ursprung. Verwenden Sie ein Lineal, Messen oder den Abstand vorher markieren, falls gewünscht. Notieren Sie die Spannung auf das Voltmeter lesen. Bewegen Sie die Spitze, aber halten Sie den Abstand vom Ursprung. Beobachten Sie das Voltmeter lesen.
  5. Wiederholen Sie den obigen Schritt mit der Spannung Sondenspitze bzw. ca. 1 m und 1,5 m platziert.
  6. Erhalten Sie ein Fluoreszenz-Rohr (Handheld). Bringen Sie das Rohr auf ca. 0,5 m Weg von der Mitte der geladenen Kugel ( Abb. 2a). Zunächst orientieren Sie das Rohr, so dass es in der radialen Richtung Weg von der Kugel. Beobachten Sie das Rohr (Schalten Sie die Lichter, die Beobachtung in relativer Dunkelheit zu erleichtern). Dann drehen Sie das Rohr um 90 Grad, so dass sie in radialer Richtung ( Abb. 2 b) senkrecht steht. Beobachten Sie das Rohr wieder.

Figure 3
Abbildung 2: Schematische Darstellung einer geladenen Kugel mit einem elektrischen Generator verbunden. Eine Fluoreszenz-Röhre wird verwendet, um die Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden des Rohres angeben. Im Falle von (a) das Rohr orientiert sich entlang der radialen Richtung; und (b) das Rohr wird orientierten senkrecht zur Radialrichtung.

Elektrisches Potential definiert die Energie eines geladenen Teilchens. Es entstehen elektrische Feld und elektrische Kraft und ist die Grundlage für viele elektrische Phänomene.

Der Begriff elektrisches Potential wird durch das griechische Symbol Φ gekennzeichnet. Es ist eine skalare Größe mit einem Schild und Größenordnung. Kostenlos erstellt elektrisches Potential in den Raum um ihn herum. Es unterscheidet sich von dem Begriff Spannung, obwohl beide diese physikalischen Größen in Volt gemessen werden.

Hier werden wir zunächst erklären, was diese Begriffe sind, die Parameter zu diskutieren, die Φ betreffen, und dann zeigen die Messung der elektrischen Spannung um eine geladene Kugel.

Wie besprochen in der Energie und Arbeit video, potentielle Energie eines beliebigen Objekts der Masse m unter dem Einfluss der Erdbeschleunigung g entspricht die Menge der Arbeit benötigt, um das Objekt bewegen von einer Höhe h über dem Boden ist. Mathematisch, es ergibt sich aus der Formel Mgh und hat die Einheit Joule.

Ebenso ist die elektrische potentielle Energie an einem bestimmten Punkt relativ zu einem Bezugspunkt in das elektrische Feld E auf einer positiv geladenen Oberfläche, die Menge der Arbeit notwendig, um einen positiven Test kostenlos +Q aus dem Verweis auf diesen speziellen Punkt zu bewegen. Der Abstand zwischen den beiden Punkten wird durch den Buchstaben dgekennzeichnet. Analog zu der potenzielle Energie, die elektrische potentielle Energie ist das Produkt der Q, E, und d, und hat die Einheiten Joule.

Dann ist das elektrische Potential bzw. Φ zu diesem Zeitpunkt auf dem Gebiet der elektrische potentielle Energie geteilt durch "Q", die Ladung auf der Test-kostenlos. Daher ist die Einheit für Φ Joule pro Coulomb, AKA Volt.

Nun, wenn man bedenkt, dass ein weiterer Punkt im Feld, hätte es ein anderes elektrisches Potential; sagen Sie Φ0. Die Potentialdifferenz oder Φdiff zwischen den beiden Punkten wird als Spannung bezeichnet. Dies ist das Konzept hinter einer Batterie, wo der Pluspol ist auf einem höheren elektrischen Potenzial im Vergleich zu den Minuspol und der Unterschied zwischen den beiden Potentialen ist die Spannung der Batterie.

Erinnern Sie auf elektrisches Potential zurückzukommen, daran, dass es eine skalare Größe mit einem Schild und Größenordnung. Das Schild hängt von der Quelle kostenlos. Um eine isolierte positive Ladung ist das Potenzial positiv, während rund um eine isolierte negative Ladung negativ ist.

Das Ausmaß des Potenzials hängt die Q die Quelle kostenlos Herstellung des elektrischen Feldes, der Abstand d von der Quelle kostenfrei und die Konfiguration.

Zum Beispiel ist das elektrische Potential an jedem beliebigen Punkt um eine Punktladung oder eine gleichmäßig geladenen positiven Kugel mit Ladung Q durch diese Formel gegeben. Es ist offensichtlich, dass Φ ist umgekehrt proportional zum Abstand von der Kugel. Und der Graph der elektrischen potenziellen Schadensausmaßes versus Distanz ist eine inverse quadratische Grundstück mit den elektrischen potenziellen Wert nähert sich Null im unendlichen.

Diese Abhängigkeit von d zeigt auch, dass alle Standorte auf den gleichen Radius von der geladenen Kugel das gleiche Potential haben würde. Dies bedeutet, dass es Potentialausgleich Oberflächen der Kugelform um eine geladene Kugel.

Jetzt, da wir die Konzepte hinter elektrischen Potenzial und mögliche Unterschied beschrieben habe, mal sehen, wie diese Prinzipien, die experimentell mit einer geladenen Kugel zu validieren.

Dieses Experiment verwendet einen Van der Graff-Generator, um eine Metallkugel zu berechnen. Verbinden Sie den Minuspol ein Voltmeter mit des Generators Referenz Terminal oder Boden. Verwenden Sie ein Kabel, um den Pluspol der Voltmeter mit einer Prüfspitze verbinden.

Drehen Sie die Kurbel des Generators mindestens 10 Mal laden die Kugel dann schalten Sie das Voltmeter und setzen Sie die Spitze der Sonde Spannung über einem halben Meter entfernt vom Zentrum der Kugel. Notieren Sie die Spannung an dieser Stelle lesen.

Bewegen Sie die Spitze der Sonde um die Kugel unter Beibehaltung eines konstanten Radius von 1,5 Meter vom Zentrum entfernt. Während dieser Zeit beobachten Sie die Voltmeter Messungen und beachten Sie, wie die Lesung zeigt ein Potentialausgleich Kugeloberfläche konstant bleibt.

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

Die Handlung der gemessene Potential gegenüber Distanz zeigt eine Kurve, die umgekehrt mit Abstand, die überprüft die theoretische Beziehung zwischen elektrisches Potential und den Abstand für eine geladene Kugel sinkt.

Elektrisches Potential ist eine der am häufigsten verwendeten elektrischen Größen und ist grundlegend für die Speicherung und Freisetzung von elektrischer Energie.

Ein Elektronenmikroskop verwendet eine hohe elektrische Potentialdifferenz, um Elektronen in einem Strahl zu beschleunigen, die die Probe unter Prüfung bombardiert. Diese Elektronen verhalten sich wie ein Licht in einem optischen Mikroskop, aber mit viel kleineren Wellenlängen und viel größere räumliche Auflösung, so dass die Fähigkeit zu visualisieren, Sub-Mikrometer Größe Strukturen.

Elektrisches Potential ist ein wichtiger Bestandteil der Gelelektrophorese - eine molekularbiologische Technik häufig zur Trennung von großer Molekülen wie DNA, von Größe und Ladung verwendet. Bei dieser Technik Probenmaterial wird auf eine Platte aus Agarosegel gelegt und eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den Enden angewendet wird. In das entstehende elektrische Feld bewegen sich die verschiedenen Moleküle und Molekülfragmente mit Geschwindigkeiten, die kostenlos und Molekulargewicht abhängig.

Sie sah nur Jupiters Einführung in elektrisches Potential. Sie sollten jetzt wissen, wie Sie messen elektrisches Potential, und verstehen, wie es wirkt sich auf Gebühren und bezieht sich auf elektrische potentielle Energie. Danke fürs Zuschauen!

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