Il concetto di potenziale elettrico è una base importante per la teoria dell'elettrostatica e dell'elettrodinamica. Comprendere la sua essenza è un prerequisito per l'ulteriore studio di questi rami della fisica.
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Cos'è un potenziale elettrico
Lasciamo che una carica unitaria q sia posta nel campo creato da una carica stazionaria Q, che è influenzata da Forza di Coulomb F=k*Qq/r.
Di seguito k=((1/4)*π* ε* ε), dove ε0 — è la costante elettrica (8,85*10-12 F/m), e ε costante dielettrica del mezzo.
Introdotto da carica può muoversi sotto l'azione di questa forza, e la forza farà del lavoro nel farlo. Ciò significa che un sistema di due cariche ha un'energia potenziale che dipende dalla grandezza di entrambe le cariche e dalla distanza tra loro, e la grandezza di questa energia potenziale è indipendente dalla grandezza della carica q. Qui viene introdotta la definizione di potenziale elettrico - è uguale al rapporto tra l'energia potenziale del campo e la grandezza della carica:
φ = W/q,
dove W è l'energia potenziale del campo creato dal sistema di cariche, e il potenziale è l'energia caratteristica del campo. Per spostare una carica q in un campo elettrico su una certa distanza, è necessario spendere del lavoro per superare la forza di Coulomb. Il potenziale di un punto è uguale al lavoro richiesto per spostare una carica unitaria da quel punto all'infinito. Va notato che:
- questo lavoro sarà uguale alla perdita di energia potenziale della carica (A=W2-W1);
- il lavoro è indipendente dalla traiettoria della carica.
Nel sistema SI, l'unità di potenziale è un Volt (nella letteratura russa è indicato con V, nella letteratura straniera - V). 1 V=1J/1Kl, cioè possiamo parlare del potenziale di un punto di 1 Volt, se ci vuole un lavoro di 1 Joule per spostare una carica di 1Kl all'infinito. Il nome è scelto dopo il fisico italiano Alessandro Volta, che ha dato un contributo significativo allo sviluppo dell'ingegneria elettrica.
Per visualizzare cos'è il potenziale, può essere paragonato alla temperatura di due corpi o alla temperatura misurata in diversi punti dello spazio. La temperatura è una misura del riscaldamento degli oggetti e il potenziale è una misura della carica elettrica. Si dice che un corpo si riscalda più di un altro; si può anche dire che un corpo è più carico e l'altro meno. Questi corpi hanno diversi potenziali.
Il valore del potenziale dipende dalla scelta del sistema di coordinate, quindi qualche livello deve essere preso come zero. Quando si misura la temperatura, la temperatura del ghiaccio che si scioglie, per esempio, può essere presa come limite di riferimento. Per un potenziale, il potenziale di un punto infinitamente lontano è di solito preso come zero, ma per alcune applicazioni, il potenziale della terra o il potenziale di uno dei terminali di un condensatore, per esempio, può essere preso come zero.
Proprietà di un potenziale
Alcune importanti proprietà di un potenziale sono
- se il campo è generato da diverse cariche, il potenziale in un punto particolare sarà uguale alla somma algebrica (tenendo conto del segno della carica) dei potenziali generati da ciascuna delle cariche φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+...+φn;
- se le distanze dalle cariche sono tali che le cariche stesse possono essere considerate puntiformi, il potenziale totale è calcolato dalla formula φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+...+qn/rn), dove r è la distanza dalla carica corrispondente al punto in questione.
Se il campo è formato da un dipolo elettrico (due cariche correlate di segno opposto), il potenziale in qualsiasi punto situato ad una distanza r dal dipolo è φ=k*p*cosά/r2dove:
- p è il braccio elettrico del dipolo, uguale a q*l, dove l è la distanza tra le cariche;
- r è la distanza dal dipolo;
- ά è l'angolo tra il braccio del dipolo e il vettore raggio r.
Se il punto giace sull'asse del dipolo, cosά=1 e φ=k*p/r2.
Differenza di potenziale
Se due punti hanno un certo potenziale, e se non sono uguali, si dice che esiste una differenza di potenziale tra i due punti. Una differenza di potenziale si verifica tra i punti
- il cui potenziale è determinato da cariche di segno diverso;
- un punto con un potenziale da qualsiasi segno di carica e un punto con potenziale zero
- punti che hanno un potenziale di segno uguale ma diverso in modulo.
Cioè, la differenza di potenziale non dipende dalla scelta del sistema di coordinate. Si può fare un'analogia con gli specchi d'acqua situati a diverse altezze rispetto al livello del suolo (per esempio il livello del mare).
L'acqua di ogni piscina ha una certa energia potenziale, ma se si collegano due piscine qualsiasi con un tubo, ci sarà un flusso d'acqua in ogni piscina, il cui flusso è determinato non solo dalla dimensione del tubo, ma anche dalla differenza di energie potenziali nel campo di gravità della Terra (cioè la differenza di altitudine). Il valore assoluto delle energie potenziali non ha importanza in questo caso.
Allo stesso modo, se si collegano due punti con potenziale diverso con un conduttore, questo porterà una corrente elettricadeterminato non solo dalla resistenza del conduttore ma anche dalla differenza di potenziale (ma non dal suo valore assoluto). Continuando con l'analogia dell'acqua, possiamo dire che l'acqua nel bacino superiore si esaurirà presto, e a meno che non si trovi una forza per spostare l'acqua verso l'alto (come una pompa), il flusso si fermerà molto rapidamente.
È lo stesso in un circuito elettrico - per mantenere la differenza di potenziale a un certo livello, sarà necessaria una forza che trasporti le cariche (o meglio, i portatori di carica) al punto con il potenziale più alto. Questa forza è chiamata forza elettromotrice ed è abbreviata in EMF. I campi elettromagnetici possono essere di varia natura: elettrochimici, elettromagnetici, ecc.
In pratica, è soprattutto la differenza di potenziale tra il punto iniziale e quello finale della traiettoria dei portatori di carica che conta. In questo caso, questa differenza si chiama tensione, e nel SI si misura anche in volt. Si può dire una tensione di 1 Volt se il campo fa il lavoro di 1 Joule nello spostare una carica di 1 Coulomb da un punto all'altro, cioè 1V=1J/1Kl, e J/Kl può anche essere l'unità di misura della differenza di potenziale.
Superfici equipotenziali
Se il potenziale di diversi punti è lo stesso e questi punti formano una superficie, tale superficie è detta equipotenziale. Una sfera circoscritta intorno a una carica elettrica, per esempio, ha questa proprietà, poiché il campo elettrico diminuisce ugualmente in tutte le direzioni con la distanza.
Tutti i punti su questa superficie hanno la stessa energia potenziale, quindi nessun lavoro sarà speso quando si muove una carica su tale sfera. Le superfici equipotenziali dei sistemi di più cariche hanno una forma più complessa, ma hanno una proprietà interessante: non si intersecano mai. Le linee di forza del campo elettrico sono sempre perpendicolari alle superfici con lo stesso potenziale in ogni loro punto. Se la superficie equipotenziale è sezionata da un piano, si ottiene una linea di potenziali uguali. Ha le stesse proprietà di una superficie equipotenziale. In pratica, i punti sulla superficie di un conduttore posto in un campo elettrostatico, per esempio, hanno un potenziale uguale.
Una volta che hai capito il concetto di potenziale e di differenza di potenziale, puoi iniziare a imparare di più sui fenomeni elettrici. Ma non prima, perché senza una comprensione dei principi e dei concetti di base, non sarà possibile approfondire la vostra conoscenza.
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