Khái niệm về thế điện là một trong những cơ sở quan trọng của lý thuyết tĩnh điện và điện động lực học. Hiểu được bản chất của nó là điều kiện cần thiết để nghiên cứu sâu hơn các nhánh vật lý này.
Điện thế là gì
Đặt một điện tích đơn vị q trong trường tạo bởi điện tích Q cố định, điện tích này chịu tác dụng của Lực lượng Coulomb F = k * Qq / r.
Ở đây và dưới đây k = ((1/4) * π * ε* ε), ở đâu ε0 — hằng số điện (8,85 * 10-12 F / m), trong khi ε là hằng số điện môi trung bình.
Đã đóng góp sạc pin dưới tác dụng của lực này, nó có thể chuyển động, và lực sẽ thực hiện một lượng công nhất định. Điều này có nghĩa là một hệ hai điện tích có thế năng phụ thuộc vào độ lớn của cả hai điện tích và khoảng cách giữa chúng, và độ lớn của thế năng này không phụ thuộc vào độ lớn của điện tích q. Ở đây giới thiệu định nghĩa về thế năng - nó bằng tỷ số giữa thế năng của trường và độ lớn của điện tích:
φ = W / q,
trong đó W là thế năng của trường tạo bởi hệ thống điện tích và thế năng là đặc tính năng lượng của trường. Để di chuyển một điện tích q trong một điện trường trong một khoảng nào đó, cần phải tiêu tốn một lượng công nhất định để thắng lực Coulomb. Thế năng của một điểm bằng công phải bỏ ra để di chuyển một đơn vị điện tích từ điểm này đến vô cùng. Khi làm như vậy, cần lưu ý rằng:
- công này sẽ bằng với sự giảm thế năng của điện tích (A = W2-W1);
- làm việc không phụ thuộc vào quỹ đạo của điện tích.
Trong hệ SI, đơn vị của thế năng là một Vôn (trong văn học Nga ký hiệu là chữ V, trong văn học nước ngoài - V). 1 V \ u003d 1J / 1 C, nghĩa là, chúng ta có thể nói về thế năng của một điểm có giá trị 1 vôn, nếu cần 1 Joule để di chuyển điện tích 1 C đến vô cùng. Cái tên này được chọn để vinh danh nhà vật lý người Ý Alessandro Volta, người đã có đóng góp đáng kể cho sự phát triển của kỹ thuật điện.
Để hình dung thế nào là thế, nó có thể được so sánh với nhiệt độ của hai vật thể hoặc nhiệt độ đo được tại các điểm khác nhau trong không gian. Nhiệt độ là thước đo sự nóng lên của các vật, và điện thế là thước đo điện tích. Người ta nói rằng một vật được đốt nóng nhiều hơn vật khác, cũng có thể nói rằng một vật được tích điện nhiều hơn và vật kia ít hơn. Những cơ thể này có tiềm năng khác nhau.
Giá trị của điện thế phụ thuộc vào sự lựa chọn của hệ tọa độ, vì vậy một mức nào đó là bắt buộc, phải lấy bằng 0. Ví dụ, khi đo nhiệt độ, nhiệt độ của nước đá tan chảy có thể được lấy làm đường cơ sở.Đối với điện thế, điện thế của một điểm ở xa vô hạn thường được coi là mức 0, nhưng để giải một số vấn đề, ví dụ, điện thế mặt đất hoặc điện thế của một trong các bản tụ điện có thể được coi là bằng không.
Thuộc tính tiềm năng
Trong số các đặc tính quan trọng của tiềm năng, cần lưu ý những điều sau:
- nếu trường được tạo bởi một số điện tích, thì điện thế tại một điểm cụ thể sẽ bằng tổng đại số (có tính đến dấu của điện tích) tổng các điện thế tạo bởi mỗi điện tích φ = φ1+ φ2+ φ3+ φ4+ φ5+… + ΦN;
- nếu khoảng cách từ các điện tích sao cho bản thân các điện tích đó có thể được coi là điện tích điểm, thì tổng thế năng được tính theo công thức φ = k * (q1/ r1+ q2/ r2+ q3/ r3+… + QN/ rN), trong đó r là khoảng cách từ điện tích tương ứng đến điểm đang xét.
Nếu trường được tạo thành bởi một lưỡng cực điện (hai điện tích liên kết trái dấu) thì điện thế tại một điểm bất kỳ nằm cách lưỡng cực một khoảng r sẽ bằng φ = k * p * cosά / r2, ở đâu:
- p là cánh tay điện của lưỡng cực, bằng q * l, trong đó l là khoảng cách giữa các điện tích;
- r là khoảng cách tới lưỡng cực;
- ά là góc giữa cánh tay đòn lưỡng cực và vectơ bán kính r.
Nếu điểm nằm trên trục của lưỡng cực thì cosά = 1 và φ = k * p / r2.
Sự khác biệt tiềm năng
Nếu hai điểm có một thế năng nhất định và nếu chúng không bằng nhau, thì chúng nói rằng có một hiệu điện thế giữa hai điểm. Sự khác biệt tiềm năng xảy ra giữa các điểm:
- tiềm năng của nó được xác định bằng các phí của các dấu hiệu khác nhau;
- một điểm có điện thế từ điện tích bất kỳ dấu và một điểm có điện thế bằng không;
- các điểm có thế cùng dấu, nhưng khác giá trị tuyệt đối.
Nghĩa là, hiệu điện thế không phụ thuộc vào việc lựa chọn hệ tọa độ.Có thể rút ra phép tương tự với các vũng nước nằm ở các độ cao khác nhau so với vạch 0 (ví dụ, mực nước biển).
Nước của mỗi bể bơi có một thế năng nhất định, nhưng nếu bạn nối hai bể bất kỳ bằng một ống thì trong mỗi bể sẽ có một dòng nước, tốc độ dòng chảy không chỉ được xác định bởi kích thước của ống. , mà còn bởi sự khác biệt về năng lượng tiềm tàng trong trường hấp dẫn của Trái đất (nghĩa là, sự khác biệt về độ cao). Giá trị tuyệt đối của thế năng không quan trọng trong trường hợp này.
Theo cách tương tự, nếu bạn nối hai điểm có điện thế khác nhau với một dây dẫn, nó sẽ chảy điện lực, được xác định không chỉ bởi điện trở của vật dẫn, mà còn bởi hiệu điện thế (nhưng không phải bởi giá trị tuyệt đối của chúng). Tiếp tục tương tự với nước, chúng ta có thể nói rằng nước trong hồ bơi phía trên sẽ nhanh chóng cạn kiệt, và nếu không có lực đẩy nước trở lại (ví dụ: máy bơm), thì dòng chảy sẽ dừng lại rất nhanh.
Vì vậy, trong một mạch điện - để duy trì sự chênh lệch điện thế ở một mức nhất định, cần phải có một lực để chuyển các điện tích (chính xác hơn là các hạt mang điện) đến một điểm có điện thế cao nhất. Lực này được gọi là sức điện động và được viết tắt là EMF. EMF có thể có bản chất khác - điện hóa, điện từ, v.v.
Trong thực tế, chủ yếu là sự khác biệt tiềm tàng giữa điểm ban đầu và điểm cuối cùng của quỹ đạo của các vật mang điện tích. Trong trường hợp này, sự khác biệt này được gọi là điện áp, và trong SI, nó cũng được đo bằng vôn.Chúng ta có thể nói về hiệu điện thế 1 Volt nếu trường hoạt động bằng 1 Joule khi di chuyển điện tích của 1 Coulomb từ điểm này sang điểm khác, nghĩa là 1V \ u003d 1J / 1C và J / C cũng có thể là một đơn vị của sự khác biệt tiềm ẩn.
Bề mặt tương đương
Nếu điện thế của một số điểm là như nhau, và những điểm này tạo thành một bề mặt, thì một bề mặt như vậy được gọi là đẳng thế. Một tính chất như vậy, ví dụ, một quả cầu quay xung quanh một điện tích, bởi vì điện trường giảm theo khoảng cách bằng nhau theo mọi hướng.
Tất cả các điểm của bề mặt này đều có cùng một thế năng, vì vậy khi di chuyển một điện tích trên một quả cầu như vậy, sẽ không có công nào được thực hiện. Các bề mặt đẳng thế của các hệ gồm một số điện tích có hình dạng phức tạp hơn, nhưng chúng có một đặc tính thú vị - chúng không bao giờ cắt nhau. Đường sức của điện trường luôn vuông góc với các bề mặt có cùng thế năng tại mỗi điểm của chúng. Nếu mặt đẳng thế bị cắt bởi một mặt phẳng thì sẽ thu được một đường có thế năng bằng. Nó có các tính chất giống như một bề mặt đẳng thế. Ví dụ, trong thực tế, các điểm trên bề mặt của vật dẫn đặt trong trường tĩnh điện có điện thế bằng nhau.
Sau khi xử lý khái niệm điện thế và hiệu điện thế, bạn có thể tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các hiện tượng điện. Nhưng không sớm hơn, vì nếu không hiểu các nguyên tắc và khái niệm cơ bản thì sẽ không thể đào sâu kiến thức.
Các bài tương tự:
