Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Electromagnetism » Potențialul electric

Potențialul electric

Un potențial electric (numit și potențialul câmpului electric, cădere de potențial sau potențial electrostatic) reprezintă cantitatea de lucru mecanic necesară pentru a deplasa o sarcină pozitivă unitară de la un punct de referință la un anumit punct din interiorul câmpului fără a produce nici o accelerație. În mod tipic, punctul de referință este Pământul sau un punct la infinit, deși orice punct dincolo de influența câmpului electric poate fi folosit.

Conform electrostaticii clasice, potențialul electric este o cantitate scalară indicată prin V sau ocazional φ, egală cu energia potențială electrică a oricărei particule încărcate în orice loc (măsurată în jouli) împărțită la sarcina acelei particule (măsurată în coulombi). Prin împărțirea la sarcina particulei se obține un coeficient care este proprietatea câmpului electric propriu-zis.

Această valoare poate fi calculată fie într-un câmp electric static (invariant în timp) sau dinamic (variabil în timp) la un moment dat în unități de jouli pe coulomb (J C-1) sau volți (V). Potențialul electric la infinit se presupune a fi zero.

Un potențial scalar electric generalizat este de asemenea utilizat în electrodinamică atunci când sunt prezente câmpuri electromagnetice variabile în timp, dar acest lucru nu poate fi calculat atât de simplu. Potențialul electric și potențialul vectorial magnetic formează împreună un vector 4-dimensional, astfel încât cele două tipuri de potențial sunt combinate în transformările Lorentz. Lucrul mecanic efectuat de forța externă pentru a aduce o sarcină pozitivă unitară din orice punct ‘P’ în punctul ‘R’ este

Vp – Vr = (Up – Ur)/q.

Introducere

Mecanica clasică explorează concepte precum forța, energia, potențialul etc. Forța și energia potențială sunt direct legate. O forță netă care acționează asupra oricărui obiect îl va face să accelereze. Când un obiect se deplasează în direcția în care forța îl accelerează, energia sa potențială scade: energia potențială gravitațională a unei ghiulele de la vârful unui deal este mai mare decât la baza dealului. Pe măsură ce coboară, energia sa potențială scade, fiind transformată în mișcare, energie cinetică.

Este posibil să se definească potențialul unor câmpuri de forță, astfel încât energia potențială a unui obiect din acest câmp să depindă numai de poziția obiectului în raport cu câmpul. Două astfel de câmpuri de forță sunt câmpul gravitațional și un câmp electric (în absența câmpurilor magnetice care variază în funcție de timp). Astfel de câmpuri influențează obiectele datorită proprietăților intrinseci (de exemplu, masa sau sarcină) și pozițiile acestora.

Obiectele pot avea o proprietate cunoscută sub numele de sarcină electrică și un câmp electric exercită o forță asupra obiectelor încărcate. Dacă obiectul încărcat are o sarcină pozitivă, forța va fi în direcția vectorului câmpului electric la acel punct, iar dacă sarcina este negativă, forța va fi în direcția opusă. Amplitudinea forței este dată de cantitatea de sarcină înmulțită cu magnitudinea vectorului câmpului electric.

Electrostatica

Potențialul electric în un punct r într-un câmp electric static E este dat de integrala liniară

VE = – ∫CE∙d

unde C este o cale arbitrară care conectează punctul cu potențial zero la r. Atunci când curl × E este zero, integrala liniară de mai sus nu depinde de calea specifică C aleasă, ci numai de punctele sale finale. În acest caz, câmpul electric este conservator și determinat de gradientul potențialului:

E = – ∇VE.

În acest caz, prin legea lui Gauss, potențialul satisface ecuația Poisson:

E = ∇∙(- ∇VE) = – ∇2VE = ρ/ε0,

unde ρ este densitatea totală de încărcare (inclusiv sarcina legată) și ∇· denotă divergența.

Conceptul de potențial electric este strâns legat de energia potențială. O sarcină de test q are o energie potențială electrică UE dată de

UE = qV.

Energia potențială și, prin urmare, și potențialul electric sunt definite numai până la o constantă aditivă: trebuie aleasă în mod arbitrar o poziție în care energia potențială și potențialul electric sunt zero.

Aceste ecuații nu pot fi utilizate dacă curl × E ≠ 0, adică în cazul unui câmp electric neconservativ (cauzat de un câmp magnetic în schimbare).

Potențialul electric datorat unei sarcini punctuale
Potențialul electric
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Electric_potential_varying_charge.gif 

(Potentialul electric creat de o sarcină Q este V = Q/(4πε0r). Diverse valori ale lui Q vor produce valori diferite ale potentialului electric V (aratat in imagine). )

Potențialul electric care rezultă dintr-o sarcină punctuală Q, la o distanță r față de sarcină, va fi

VE = 1/4πε0Qr,

unde ε0 este permitivitatea vidului. Acesta este cunoscut ca potențialul Coulomb.

Potențialul electric datorat unui sistem de sarcini punctuale este egal cu suma potențialelor individuale ale sarcinilor punctuale. Acest fapt simplifică semnificativ calculele, deoarece adăugarea câmpurilor potențiale (scalare) este mult mai ușoară decât adăugarea câmpurilor electrice (vectoriale).

Unități

Unitatea derivată SI a potențialului electric este volt (în onoarea lui Alessandro Volta), motiv pentru care o diferență în potențialul electric între două puncte este cunoscută sub numele de tensiune. Unitățile mai vechi sunt rareori folosite astăzi. Variantele sistemului de unități CGS au inclus un număr de unități diferite pentru potențialul electric, inclusiv abvolt și statvolt.

Potențialul galvanic vs. potențialul electrochimic

În interiorul metalelor (și al altor solide și lichide), energia unui electron este afectată nu numai de potențialul electric, ci și de mediul atomic specific în care se află. Când un voltmetru este conectat între două tipuri diferite de metal, acesta măsoară nu diferența de potențial electric, ci diferența de potențial corectată pentru diferitele medii atomice. Cantitatea măsurată de un voltmetru se numește potențial electrochimic sau nivel fermi, în timp ce potențialul electric neajustat pur V este numit uneori potențial galvanic φ. Termenii „tensiune” și „potențial electric” sunt puțin ambigui în sensul că, în practică, se pot referi la oricare dintre acestea în contexte diferite.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *