Overview
출처: 용피 첸 박사, 물리학 및 천문학학과, 과학 대학, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, IN
"전압"이라고도 하는 전기 전위는 단전당 전기 전위 에너지를 측정합니다. 전기장은 스칼라 수량이며 많은 전기 적 효과의 기본입니다. 잠재적 인 에너지와 마찬가지로 물리적으로 의미있는 것은 전기 잠재력의 차이입니다. 예를 들어, 전기 전위의 공간 변화는 전위와 관련이 있으며, 이는 전하에 전기력을 초래한다. 저항기의 두 점 사이의 전기 전위 차이는 전류 흐름을 구동한다.
이 실험은 볼트 미터와 형광관을 모두 사용하여 충전된 구체에 의해 생성된 전기 전위(더 정확하게는 공간의 두 점 간의 잠재적 차이)를 보여줍니다. 이 실험은 전기장에 수직인 등구 표면의 개념을 보여줍니다.
Principles
원점(r = 0)에 위치한 포인트 충전 Q는 전기 전위를 생성합니다.
(방정식 1)
전하로부터 거리 r이 있는 공간의 어느 지점에서나(원산지 r = 0). 수학식 1은 또한 균일하게 충전된 구(r=0 중심)에 의해 생성된 전기 전위(r=0)에 의해 생성되는 전기 전위(도1)를설명합니다. 두 경우 모두 "참조" 점(전위가 0인 경우)은 전하와 는 무한한 거리에 있습니다. 전기 전위는 전기장의 방향인 방사형 방향에 따라 달라집니다.
원점(전하의 중심)에서 멀리 떨어진 거리 r1과 r 2의 2점 P1과 P2의 경우, 이 두 점간의 잠재적 차이는 다음과 이다.
(방정식 2)
점 P2가 무한대(→∞)에 있으면 방정식 2를 방정식 1로줄입니다. 따라서 이 두 점이 원점(전하의 중심)과 거리가 다른 경우에만 두 점 간에 잠재적 차이가 있습니다. 원점에서 중심의 구형 표면은 이 경우 "동등한 표면"입니다. 이 경우 전기장(방사형 방향)은 동등한 표면(구)에 수직이다. 이것은 일반적으로 사실로 판명 : 등구 표면은 전기 장의 방향에 수직입니다.
그림 1: 전기 발전기에 연결된 충전된 구를 보여주는 다이어그램입니다. 볼트계는 "A"(구의 중심에서 거리 r)에서 전기 전위를 측정하는 데 사용됩니다.
Procedure
1. 충전 된 구로 인한 전기 잠재력
- 금속 구체에 충전할 수 있는 반 데르 그라프 발전기를 획득한다. 구의 중심은 이 실험의 원점에서 정의됩니다.
- 볼트미터를 가져옵니다. 반 데르 그라프 발전기의 "−" 터미널을 지상 또는 기준 단자에 연결(-−" 단단, 또는 발전기에서 멀리 떨어진 전기 접지(예: 대형 전도 파이프)에 연결합니다. "+" 단단을 이동할 수 있는 전압 프로브 팁과 함께 볼트계 케이블에 연결합니다. 회로도 연결은 도 1에표시됩니다.
- 생성기의 크랭크를 10회 이상 돌려 구를 충전합니다.
- 볼트미터를 켜면 원점에서 약 0.5m 떨어진 전압 프로브(볼트계의 "+" 단자에 연결됨)의 끝을 배치합니다. 눈금자를 사용하여 원하는 경우 미리 거리를 측정하거나 표시합니다. 볼트미터에서 전압 판독값을 기록합니다. 팁을 이동하지만 원점에서 멀리 떨어진 거리를 유지합니다. 볼트미터 판독값을 관찰합니다.
- 전압 프로브 팁이 각각 약 1m 및 1.5m에 배치되어 위의 단계를 반복합니다.
- (휴대용) 형광관을 획득한다. 튜브를 충전구의 중심에서 약 0.5m 떨어진 곳에 가져온다(도 2a). 첫째, 튜브가 구에서 멀리 떨어진 방사형 방향을 따라 되도록 튜브를 방향을 지정합니다. 튜브를 관찰하십시오(상대적인 어둠 속에서 관찰을 용이하게 하기 위해 조명을 끕니다). 그런 다음 튜브를 90도 회전시켜 방사형 방향(도 2b)에수직이 되도록 합니다. 튜브를 다시 관찰합니다.
그림 2: 전기 발전기에 연결된 충전 구를 보여주는 다이어그램입니다. 형광관은 튜브의 두 끝 사이의 잠재적 차이를 나타내는 데 사용됩니다. (a)의 경우 튜브는 방사형 방향을 따라 지향된다; 및 (b) 튜브는 방사형 방향에 수직으로 지향된다.
전기 전위는 충전된 입자의 에너지를 정의합니다. 그것은 전기 장과 전기 력을 초래하고, 많은 전기 현상의 기초입니다.
용어 전기 잠재력은 그리스 어 기호 Φ에 의해 표시됩니다. 그것은 기호와 크기가있는 스칼라 수량입니다. 모든 충전은 주변 공간에서 전기 전위를 생성합니다. 이러한 물리적 수량은 모두 볼트로 측정되지만 전압이라는 용어와다릅니다.
여기에서 먼저 이러한 용어가 무엇인지 설명하고 Φ에 영향을 미치는 매개 변수에 대해 논의한 다음 충전된 구 주위의 전기 잠재력 측정을 시연합니다.
에너지 및 작업 비디오에서 설명한 바와 같이, 중력 가속 g의 영향을 받는 질량 m 물체의 잠재적 에너지는 지상에서 높이 h로 해당 물체를 이동하는 데 필요한 작업의 양과 같습니다. 수학적으로, 그것은 공식 mgh에 의해 주어지고 줄의 단위가 있습니다.
마찬가지로, 전기장 E에서 양전하 표면 주위에서, 기준점에 상대적인 특정 지점에서 전기 전위 에너지는 특정 점에 대한 참조에서 양성 시험 전하+q를 이동하는 데 필요한 작업량이다. 두 점 사이의 거리는 문자 d로표시됩니다. 중력 전위 에너지와 유사하게, 전기 전위 에너지는 q, E 및 d의산물이며 Joules의 단위를 가지고 있습니다.
그런 다음, 현장에서 그 시점에서 전기 전위 또는 Φ는 전기 전위 에너지가 'q'로 나누어, 시험 전하의 전하이다. 따라서 Φ의 단위는 쿨롬당 줄, 일명 볼트입니다.
이제, 우리가 필드의 또 다른 지점을 고려한다면, 그것은 다른 전기 잠재력을 가질 것이다; Φ0을 말합니다. 두 점 사이의 잠재적 차이 또는 Φdiff를 전압이라고 합니다. 이것은 음극기 말단에 비해 양극 전위가 높고 두 전위 사이의 차이는 배터리의 전압인 배터리의 뒤에 있는 개념이다.
전기 잠재력으로 돌아오면 표지판과 크기가 있는 스칼라 수량이라고 기억하십시오. 기호는 소스 요금에 따라 다릅니다. 고립 된 긍정적 인 충전 주위에, 잠재력은 긍정적 인 반면, 고립 된 음전하 주위에 그것은 부정적이다.
잠재력의 크기는 전기장을 생산하는 소스 충전의 Q, 소스 충전으로부터의 거리 d 및 구성에 따라 달라집니다.
예를 들어 포인트 충전 또는 충전 Q가 있는 균일하게 충전된 양구 주위의 임의의 주어진 지점에서의 전기 전위는 이 수식에 의해 주어집니다. Φ는 구로부터의 거리에 반비례하는 것이 분명합니다. 그리고 전기 전위 규모와 거리의 그래프는 무한대에서 0에 가까워지고 있습니다.
d에 대한 이 종속성은 또한 충전된 구에서 동일한 반지름의 모든 위치가 동일한 잠재력을 가지고 있음을 나타냅니다. 즉, 구형 구주위의 구형 모양의 표면이 동등하다는 것을 의미합니다.
이제 전기 잠재력과 잠재적 차이에 대한 개념을 설명한 결과, 충전된 구를 사용하여 이러한 원칙을 실험적으로 검증하는 방법을 살펴보겠습니다.
이 실험은 반 데르 그라프 발전기를 사용하여 금속 구를 충전합니다. 볼트미터의 음수 단말은 발전기의 참조 단자 또는 접지에 연결합니다. 케이블을 사용하여 볼트미터의 양수 단단을 프로브 팁에 연결합니다.
발전기의 크랭크를 10회 이상 돌려 구를 충전한 다음 볼트계를 켜고 전압 프로브의 끝을 구의 중심에서 약 반 미터 떨어진 곳에 놓습니다. 이 위치에 전압 판독값을 기록합니다.
중심에서 반 미터의 일정한 반경을 유지하면서 프로브 팁을 구 주위로 이동합니다. 이 시간 동안, 볼트계 측정을 관찰하고 구형 등구 표면을 나타내는, 판독값이 일정하게 유지되는 방법을 주의한다.
프로브 팁이 1미터 거리에서, 그리고 구의 중심에서 1미터 반 떨어진 곳에서 이 절차를 반복합니다.
측정된 전위 대 거리의 플롯은 전하 구의 전기 전위와 거리 사이의 이론적 관계를 검증하는 거리와 반대로 감소하는 곡선을 표시합니다.
전기 전위는 가장 일반적으로 사용되는 전기 수량 중 하나이며 전기 에너지의 저장 및 방출의 기본입니다.
전자 현미경은 높은 전기 전위 차이를 사용하여 검사 중인 샘플을 포격하는 빔에서 전자를 가속화합니다. 이 전자는 광학 현미경의 빛처럼 작동하지만 파장이 훨씬 작고 공간 해상도가 훨씬 커서 하위 미크론 크기의 구조를 시각화 할 수 있습니다.
전기 전위는 젤 전기전도의 중요한 구성 요소입니다 - DNA와 같은 큰 분자를 크기 및 전하로 분리하는 데 일반적으로 사용되는 분자 생물학 기술입니다. 이 기술에서, 샘플 물질은 아가로즈 젤의 슬래브에 배치되고 끝 사이에 전기 전위 차가 적용됩니다. 결과 전기장에서, 다양한 분자와 분자 단편은 전하와 분자량에 의존하는 속도로 움직입니다.
당신은 단지 전기 잠재력에 대한 JoVE의 소개를 보았다. 이제 전기 전위를 측정하는 방법을 알고, 전기 전위 에너지에 미치는 영향을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!
Results
1.4-1.5 단계에서, 프로브 팁이 원점에서 비슷한 거리에서 유지되는 경우 볼트미터는 유사한 판독값을 제공하는 것을 관찰할 수 있습니다(즉, 등가 표면에서). 그러나 프로브가 원점에서 멀리 이동하면 전압이 떨어집니다. 1m와 1.5m 떨어진 곳에서 의 전압 판독값은 각각 0.5m 떨어진 곳에서 판독값의 약 1/2 및 1/3입니다. 역 거리(1/r)에 비해 측정된 전압 V가 플롯되면 방정식 1에서예상대로 직선 결과가 표시됩니다.
Applications and Summary
전기 전위(전압)는 유비쿼터스이며 전기에서 가장 일반적으로 사용되는 수량일 것입니다. 두 가지가 서로 관련될 수 있더라도 전기장(벡터)보다 전기 전위(스칼라)를 사용하는 것이 훨씬 더 편리합니다. 전기 전위 차이는 TV 화면이나 전자 현미경과 같은 전하 모션(가속/감속/편향 전하)을 구동하고 제어하는 데 사용됩니다. 전기 전위 차(일반적으로 전압이라고 부르는 것)도 도체의 전류 흐름을 유도하는 것입니다. 전압을 측정할 때마다 두 점 사이의 전기 전위 차이를 측정합니다(그 중 하나는 잠재잠재력이 0으로 정의된 기준점 또는 접지)입니다.
실험의 저자는 게리 허드슨의 재료 준비에 대한 도움을 인정하고 비디오의 단계를 시연하기위한 Chuanhsun 리.
