Električni potencial: definicija, enote (volt) in razlika od napetosti

Električni potencial je električna potencialna energija (EPE) na enoto naboja. Električni potencial pove, kolikšna bo električna potencialna energija nabitega predmeta za vsak coulomb naboja ali koliko joulov energije bo na coulomb. Enota za električni potencial, joule na coulomb, se imenuje volt v spomin na Alessandra Volto. En volt je enak enemu joulu na coulomb.

Pojasnilo z formulo

Osnovne formule:

• Električni potencial: V = U/q, kjer je U električna potencialna energija (J), q naboj (C) in V potencial (V).
• Obratno: U = qV (energija, shranjena ali sproščena, ko se naboj premakne skozi razliko potencialov).
• Potencialna razlika (napetost): ΔV = W/q, kjer je W delo, opravljeno pri premiku naboja q med dvema točkama.

Analogija z vodo

Dobra analogija je voda v mlinskem ribniku. Voda v ribniku ima gravitacijsko potencialno energijo, ker je visoko nad morsko gladino. Ko se voda prevesi čez padec, izgublja energijo. V mlinskem ribniku je lahko 100 litrov vode in 1000 joulov energije v ribniku, zato je na liter 10 joulov energije. V drugem ribniku je lahko 100 litrov vode, vendar je v njem le 500 joulov energije, ker je ribnik v nižji dolini. Ta ribnik ima 5 džulov na liter. Podobno imamo lahko nekje, morda v električnem krogu, shranjenih 100 kulomberov naboja s 1000 jouli električne potencialne energije. Električni potencial bi imel 10 joulov energije na coulomb. Na drugem mestu, morda na drugem mestu v istem električnem krogu, bi lahko bil električni potencial 5 joulov na coulomb.

Premikanje nabojev in energija

Podobno kot masa pade z mesta, kjer ima večjo potencialno energijo (letalo ali drug kraj v vesolju), na mesto, kjer ima manjšo potencialno energijo (tla ali drug kraj v vesolju), padajo tudi naboji. Naboji bodo vedno šli tja, kjer imajo nižjo električno potencialno energijo ali potencial. Temu gibanju pravimo tudi padec. Skupina nabojev ali nabit predmet bo padla z mesta, kjer je električni potencial 10 joulov na coulomb, na mesto, kjer je električni potencial 5 joulov na coulomb, ali z mesta z električnim potencialom 10 voltov na mesto z električnim potencialom 5 voltov. Če je na predmetu 20 kulombojev naboja, bo predmet padel z električne potencialne energije (EPE) 200 joulov (20 c x (10 j/c) = 200 joulov) na mestu z električnim potencialom 10 voltov na električno potencialno energijo 100 joulov (20 c x (5 j/c) = 100 joulov) na mestu z električnim potencialom 5 voltov.

Zakaj uporabljamo potencial (namesto skupne energije)

Čeprav ta koncept velja tudi za gravitacijo, ga ne uporabljamo. Skoraj vedno je koristneje razmišljati in uporabljati skupno gravitacijsko potencialno energijo (GPE) predmeta in ne GPE na kilogram. Pri elektriki je zelo pogosto bolj koristno uporabljati električni potencial, EPE na naboj, namesto da bi uporabljali skupno električno potencialno energijo. Potencial omogoča primerjavo "energetične ravni" neodvisno od velikosti naboja.

Razlika med električnim potencialom, EPE in napetostjo

Električni potencial ni enak električni potencialni energiji. Je električna potencialna energija na enoto naboja. Električni potencial ni isto kot električna potencialna razlika. Električna potencialna razlika se imenuje tudi napetost (glej stran o napetosti).

Upoštevajte, da sta volt in napetost dve različni vrednosti. Volt je enota, s katero nekaj merimo. Tako električni potencial kot napetost sta stvari, ki jih merimo, volt pa je enota za merjenje obeh. Da, nekoliko zmedeno, vendar je tako. Simbol za enoto volt je zapisan z V (9 voltov ali 9 V). Kadar je napetost uporabljena v formuli, je simbol za napetost mala črka v. ( npr. napetost = tok x upor ali v = ir) S tem ločimo razliko med volti (V) in napetostjo (v), kadar imamo na voljo le enočrkovni simbol. Elektrotehniki uporabljajo simbol "e" za napetost (npr. e = ir), da bi jasneje razločili razliko.

Električno polje in povezava s potencialom

Električni potencial je skalarna količina. Električno polje E je vektorska količina, povezana s potencialom z enačbo:

• E = -∇V (v vektorski obliki). V eni dimenziji: E = -dV/dx.

Negativni predznak pomeni, da električno polje kaže v smer, v kateri potencial pada. Equipotencialne površine so površine enakega V; električno polje je vedno pravokotno na te površine.

Potencial točke in referenčna vrednost

Električni potencial je relativen: merimo ga glede na izbrano referenco. Pogosto se izbere V = 0 na neskončnosti (pri enojnem nabojnem sistemu) ali V = 0 na ozemljitvi (zemlji). Za točke A in B je pomembna razlika ΔV = V(B) - V(A), saj ta določa delo na naboj q pri premiku med njima.

Za primer potenciála enotnega točkovnega naboja Q v vakuumu velja:

V(r) = (1 / (4πε0)) · Q / r, kjer je ε0 dielektrična konstanta vakuuma in r razdalja od naboja.

Polarna smer gibanja in elektroni

Pozitivni naboji se pri »padu« premikajo proti nižjemu potencialu. Elektroni imajo negativen naboj, zato se bodo gibali v nasprotni smeri — z višjega potenciala proti nižjemu bremenu elektronske energije torej lahko pravimo obratno glede na konvencionalni tok. V vezju pa običajno govorimo o konvencionalnem toku (gibanje pozitivnih nabojev), ki gre iz točke z višjim potencialom v točko z nižjim potencialom.

Merjenje in praktični vidiki

• Za merjenje električnega potenciala ali napetosti uporabljamo voltmeter. Voltmeter merimo med dvema točkama; naprava prikazuje razliko potencialov (ΔV).
• Tipične enote: V (volt). SI enota je J/C.
• V praksi so potenciali relativno majhni (milivolti do nekaj sto voltov v napravam) ali zelo veliki (kilovoltih in megavoltih pri elektroenergetiki ali v atmosferi).

Primer izračuna

Če se naboj q = 20 C premakne z mesta, kjer je potencial V1 = 10 V, na mesto z V2 = 5 V, se sprememba energije izračuna kot ΔU = q·(V2 - V1) = 20 C · (-5 V) = -100 J. To pomeni, da je 100 J energije sproščene (ali prevedene v drugo obliko) pri premiku. (Primer iz prvotnega besedila, ki je uporaben za razumevanje.)

Povzetek

• Električni potencial je EPE na enoto naboja; enota je volt (J/C).
• Potencial je skalar; električno polje je vektorsko in je povezano z njim z E = -∇V.
• Potencial je relativna količina — vedno upoštevamo referenco (npr. ozemljitev ali neskončnost).
• Napetost (električna potencialna razlika) je razlika dveh potencialov; volt je enota za merjenje obeh.

Če želite, lahko članek razširim še z več praktičnimi primeri (npr. potenciale v kondenzatorju, linearni potencial v homogeni sili, ali izpeljavo V za več nabojnih konfiguracij) ali z grafičnimi shemami za lažje razumevanje.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je električni potencial?

V: Katere so enote za električno potencialno energijo in naboj?

V: Kaj nam električni potencial pove o nabitem predmetu?

V: Kako se imenuje enota za električni potencial?

V: Koliko je en volt?

V: Kdo je bil Alessandro Volta?

Išči po črki