يعتبر مفهوم الجهد الكهربائي أحد الأسس المهمة لنظرية الكهرباء الساكنة والديناميكا الكهربية. يعد فهم جوهرها شرطًا ضروريًا لمزيد من الدراسة لفروع الفيزياء هذه.
ما هو الجهد الكهربائي
دع شحنة الوحدة q توضع في الحقل الذي تم إنشاؤه بواسطة شحنة ثابتة Q ، والتي تتأثر بـ قوة كولوم F = k * Qq / r.
هنا وأدناه k = ((1/4) * π * ε* ε) حيث ε0 — ثابت كهربائي (8.85 * 10-12 F / م) ، بينما ε هي ثابت عازل متوسط.
ساهم تكلفة تحت تأثير هذه القوة ، يمكن أن تتحرك ، وستقوم القوة بقدر معين من العمل. هذا يعني أن نظامًا من شحنتين له طاقة كامنة تعتمد على مقدار كلتا الشحنتين والمسافة بينهما ، وحجم هذه الطاقة الكامنة لا يعتمد على حجم الشحنة q. هنا يتم تقديم تعريف الجهد الكهربائي - إنه يساوي نسبة الطاقة الكامنة للمجال إلى حجم الشحنة:
φ = W / ف ،
حيث W هي الطاقة الكامنة للحقل الذي تم إنشاؤه بواسطة نظام الشحنات ، والإمكانات هي خاصية الطاقة الخاصة بالمجال. لتحريك شحنة q في مجال كهربائي لبعض المسافة ، من الضروري إنفاق قدر معين من العمل للتغلب على قوى كولوم. تساوي إمكانات نقطة ما العمل الذي يجب إنفاقه لتحريك شحنة الوحدة من هذه النقطة إلى اللانهاية. عند القيام بذلك ، تجدر الإشارة إلى ما يلي:
- سيكون هذا الشغل مساويًا لانخفاض الطاقة الكامنة للشحنة (A = W2-W1);
- العمل لا يعتمد على مسار الشحنة.
في نظام SI ، وحدة الإمكانات هي Volt واحد (في الأدب الروسي يُشار إليه بالحرف V ، في الأدب الأجنبي - V). 1 V \ u003d 1J / 1 C ، أي يمكننا التحدث عن إمكانات نقطة 1 فولت ، إذا استغرق الأمر 1 جول لتحريك شحنة مقدارها 1 درجة مئوية إلى ما لا نهاية. تم اختيار الاسم تكريما للفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا ، الذي قدم مساهمة كبيرة في تطوير الهندسة الكهربائية.
لتصور ماهية الإمكانات ، يمكن مقارنتها بدرجة حرارة جسمين أو درجة الحرارة المقاسة في نقاط مختلفة في الفضاء. درجة الحرارة هي مقياس لتسخين الأشياء ، والجهد هو مقياس الشحنة الكهربائية. يقال أن جسمًا ما يتم تسخينه أكثر من الآخر ، ويمكن أيضًا القول أن جسمًا مشحون أكثر والآخر أقل. هذه الهيئات لها إمكانات مختلفة.
تعتمد قيمة الإمكانات على اختيار نظام الإحداثيات ، لذا يلزم وجود مستوى معين ، والذي يجب اعتباره صفرًا. عند قياس درجة الحرارة ، على سبيل المثال ، يمكن أخذ درجة حرارة ذوبان الجليد كخط أساس.بالنسبة للإمكانات ، عادةً ما يتم أخذ إمكانات نقطة بعيدة إلى ما لا نهاية على أنها مستوى الصفر ، ولكن لحل بعض المشكلات ، على سبيل المثال ، يمكن اعتبار الإمكانات الأرضية أو إمكانات إحدى لوحات المكثف صفراً.
الخصائص المحتملة
من بين الخصائص المهمة للإمكانات ، يجب ملاحظة ما يلي:
- إذا تم إنشاء الحقل بواسطة عدة رسوم ، فإن الإمكانات عند نقطة معينة ستكون مساوية لمجموع الإمكانات الجبرية (مع مراعاة علامة الشحنة) للإمكانيات التي تم إنشاؤها بواسطة كل من الرسوم φ = φ1+ φ2+ φ3+ φ4+ φ5+… + φن;
- إذا كانت المسافات من الرسوم بحيث يمكن اعتبار الرسوم نفسها رسومًا نقطية ، فسيتم حساب الإمكانات الإجمالية بالصيغة φ = k * (q1/ ص1+ ف2/ ص2+ ف3/ ص3+… + سن/ صن) ، حيث r هي المسافة من الشحنة المقابلة ثم من النقطة المعتبرة.
إذا تم تشكيل المجال بواسطة ثنائي القطب (شحنتان متصلتان من العلامة المعاكسة) ، فإن الإمكانات في أي نقطة تقع على مسافة ص من ثنائي القطب ستكون مساوية لـ φ = k * p * cosά / r2، أين:
- p هي الذراع الكهربائية لثنائي القطب ، تساوي q * l ، حيث l هي المسافة بين الشحنات ؛
- ص هي المسافة إلى ثنائي القطب ؛
- ά هي الزاوية بين الذراع ثنائي القطب ومتجه نصف القطر r.
إذا كانت النقطة تقع على محور ثنائي القطب ، فإن cosά = 1 و φ = k * p / r2.
التباينات المحتملة
إذا كان للنقطتين إمكانات معينة ، وإذا لم تتساوى ، فإنهما يقولان أن هناك فرقًا محتملًا بين النقطتين. يحدث فرق الجهد بين النقطتين:
- التي يتم تحديد إمكاناتها من خلال رسوم من علامات مختلفة ؛
- نقطة ذات احتمال من شحنة أي علامة ونقطة ذات احتمال صفري ؛
- النقاط التي لها احتمالية نفس العلامة ، ولكنها تختلف في القيمة المطلقة.
أي أن فرق الجهد لا يعتمد على اختيار نظام الإحداثيات.يمكن رسم تشبيه ببرك المياه الواقعة على ارتفاعات مختلفة بالنسبة لعلامة الصفر (على سبيل المثال ، مستوى سطح البحر).
يحتوي ماء كل حوض على طاقة كامنة معينة ، ولكن إذا قمت بتوصيل أي بركتين بأنبوب ، فسيكون هناك تدفق للمياه في كل منهما ، يتم تحديد معدل التدفق ليس فقط بحجم الأنبوب ، ولكن أيضًا من خلال الاختلاف في طاقات الجهد في مجال جاذبية الأرض (أي فرق الارتفاع). القيمة المطلقة للطاقات المحتملة لا تهم في هذه الحالة.
بنفس الطريقة ، إذا قمت بتوصيل نقطتين بإمكانيات مختلفة بموصل ، فسوف تتدفق كهرباء، لا يتم تحديدها فقط من خلال مقاومة الموصل ، ولكن أيضًا من خلال فرق الجهد (ولكن ليس من خلال قيمتها المطلقة). استمرارًا للتماثل مع الماء ، يمكننا أن نقول إن الماء في البركة العلوية سينفد قريبًا ، وإذا لم تكن هناك قوة ستحرك الماء مرة أخرى (على سبيل المثال ، مضخة) ، فسيتوقف التدفق بسرعة كبيرة.
لذلك فهي في دائرة كهربائية - من أجل الحفاظ على فرق الجهد عند مستوى معين ، يلزم وجود قوة تنقل الشحنات (بتعبير أدق ، حاملات الشحنة) إلى نقطة ذات جهد أعلى. تسمى هذه القوة القوة الدافعة الكهربائية ويتم اختصارها إلى EMF. يمكن أن تكون المجالات الكهرومغناطيسية ذات طبيعة مختلفة - كهروكيميائية ، كهرومغناطيسية ، إلخ.
من الناحية العملية ، فإن الاختلاف المحتمل بين النقاط الأولية والنهائية لمسار حاملات الشحنة هو المهم بشكل أساسي. في هذه الحالة ، يسمى هذا الاختلاف الجهد ، وفي النظام الدولي للوحدات يُقاس أيضًا بالفولت.يمكننا التحدث عن جهد 1 فولت إذا كان الحقل يعمل 1 جول عند نقل شحنة 1 كولوم من نقطة إلى أخرى ، أي 1V \ u003d 1J / 1C ، ويمكن أيضًا أن يكون J / C وحدة من التباينات المحتملة.
الأسطح متساوية الجهد
إذا كانت إمكانات عدة نقاط هي نفسها ، وكانت هذه النقاط تشكل سطحًا ، فإن هذا السطح يسمى متساوي الجهد. مثل هذه الخاصية لها ، على سبيل المثال ، كرة محصورة حول شحنة كهربائية ، لأن المجال الكهربائي يتناقص مع المسافة بالتساوي في جميع الاتجاهات.
جميع نقاط هذا السطح لها نفس الطاقة الكامنة ، لذلك عند تحريك شحنة فوق هذه الكرة ، لن يتم إنفاق أي عمل. الأسطح متساوية الجهد لأنظمة متعددة الشحنات لها شكل أكثر تعقيدًا ، لكن لها خاصية واحدة مثيرة للاهتمام - فهي لا تتقاطع أبدًا. دائمًا ما تكون خطوط القوة للمجال الكهربائي متعامدة مع الأسطح التي لها نفس الجهد عند كل نقطة من نقاطها. إذا تم قطع سطح متساوي الجهد بواسطة مستوى ، فسيتم الحصول على خط من الإمكانات المتساوية. لها نفس خصائص سطح متساوي الجهد. في الممارسة العملية ، على سبيل المثال ، النقاط الموجودة على سطح الموصل الموضوعة في مجال إلكتروستاتيكي لها إمكانات متساوية.
بعد التعامل مع مفهوم فرق الجهد والجهد ، يمكنك المتابعة إلى مزيد من الدراسة للظواهر الكهربائية. لكن ليس قبل ذلك ، لأنه بدون فهم المبادئ والمفاهيم الأساسية ، لن يكون من الممكن تعميق المعرفة.
مقالات مماثلة:
