Konsep potensial listrik merupakan salah satu dasar penting dari teori elektrostatika dan elektrodinamika. Memahami esensinya adalah kondisi yang diperlukan untuk studi lebih lanjut dari cabang-cabang fisika ini.
Apa itu potensial listrik
Biarkan satu unit muatan q ditempatkan pada medan yang dibuat oleh muatan tetap Q, yang dipengaruhi oleh Gaya Coulomb F=k*Qq/r.
Di sini dan di bawah k=((1/4)*π** ), di mana0 — konstanta listrik (8,85 * 10-12 F/m), sedangkan adalah konstanta dielektrik sedang.
Kontribusi mengenakan biaya di bawah aksi gaya ini, ia dapat bergerak, dan gaya akan melakukan sejumlah pekerjaan. Ini berarti bahwa sistem dua muatan memiliki energi potensial yang bergantung pada besar kedua muatan dan jarak antara keduanya, dan besarnya energi potensial ini tidak bergantung pada besar muatan q. Di sini definisi potensial listrik diperkenalkan - itu sama dengan rasio energi potensial medan dengan besarnya muatan:
=W/q,
di mana W adalah energi potensial medan yang diciptakan oleh sistem muatan, dan potensial adalah karakteristik energi medan. Untuk memindahkan muatan q dalam medan listrik untuk jarak tertentu, diperlukan sejumlah usaha untuk mengatasi gaya Coulomb. Potensial suatu titik sama dengan kerja yang harus dikeluarkan untuk memindahkan muatan satuan dari titik ini hingga tak terhingga. Dalam melakukannya, perlu dicatat bahwa:
- usaha ini akan sama dengan penurunan energi potensial muatan (A=W2-W1);
- usaha tidak bergantung pada lintasan muatan.
Dalam sistem SI, satuan potensial adalah satu Volt (dalam literatur Rusia dilambangkan dengan huruf V, dalam literatur asing - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, yaitu, kita dapat berbicara tentang potensi titik 1 volt, jika dibutuhkan 1 Joule untuk memindahkan muatan 1 C hingga tak terbatas. Nama itu dipilih untuk menghormati fisikawan Italia Alessandro Volta, yang memberikan kontribusi signifikan terhadap pengembangan teknik elektro.
Untuk memvisualisasikan apa itu potensial, dapat dibandingkan dengan suhu dua benda atau suhu yang diukur pada titik yang berbeda di ruang angkasa. Suhu adalah ukuran pemanasan benda, dan potensial adalah ukuran muatan listrik. Dikatakan bahwa satu benda dipanaskan lebih dari yang lain, dapat juga dikatakan bahwa satu benda bermuatan lebih banyak dan yang lain lebih sedikit. Badan-badan ini memiliki potensi yang berbeda.
Nilai potensial tergantung pada pilihan sistem koordinat, sehingga diperlukan beberapa level, yang harus diambil sebagai nol. Saat mengukur suhu, misalnya, suhu es yang mencair dapat diambil sebagai garis dasar.Untuk potensi, potensi titik yang jauh tak terhingga biasanya dianggap sebagai level nol, tetapi untuk memecahkan beberapa masalah, misalnya, potensi tanah atau potensi salah satu pelat kapasitor dapat dianggap sebagai nol.
Properti Potensial
Di antara sifat-sifat penting dari potensi, hal-hal berikut harus diperhatikan:
- jika medan ditimbulkan oleh beberapa muatan, maka potensial pada suatu titik tertentu akan sama dengan penjumlahan aljabar (dengan memperhatikan tanda muatan) jumlah potensial yang ditimbulkan oleh masing-masing muatan =φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+…+n;
- jika jarak dari muatan sedemikian rupa sehingga muatan itu sendiri dapat dianggap sebagai muatan titik, maka potensial total dihitung dengan rumus =k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+…+qn/rn), di mana r adalah jarak dari muatan yang sesuai dari titik yang dipertimbangkan.
Jika medan dibentuk oleh dipol listrik (dua muatan terhubung yang berlawanan tanda), maka potensial pada setiap titik yang terletak pada jarak r dari dipol akan sama dengan =k*p*cosά/r2, di mana:
- p adalah lengan listrik dipol, sama dengan q*l, di mana l adalah jarak antara muatan;
- r adalah jarak ke dipol;
- adalah sudut antara lengan dipol dan vektor jari-jari r.
Jika titik terletak pada sumbu dipol, maka cosά=1 dan =k*p/r2.
Perbedaan potensial
Jika dua titik memiliki potensial tertentu, dan jika keduanya tidak sama, maka dikatakan ada beda potensial antara kedua titik tersebut. Beda potensial terjadi antara titik:
- yang potensinya ditentukan oleh muatan tanda yang berbeda;
- titik dengan potensi dari muatan tanda apa pun dan titik dengan potensi nol;
- titik-titik yang memiliki potensi tanda yang sama, tetapi berbeda nilai absolutnya.
Artinya, beda potensial tidak bergantung pada pilihan sistem koordinat.Sebuah analogi dapat ditarik dengan genangan air yang terletak pada ketinggian yang berbeda relatif terhadap tanda nol (misalnya, permukaan laut).
Air masing-masing kolam memiliki energi potensial tertentu, tetapi jika Anda menghubungkan dua kolam dengan tabung, maka di masing-masing kolam akan ada aliran air, yang laju alirannya tidak hanya ditentukan oleh ukuran tabung. , tetapi juga oleh perbedaan energi potensial dalam medan gravitasi bumi (yaitu, perbedaan ketinggian). Nilai absolut dari energi potensial tidak menjadi masalah dalam kasus ini.
Dengan cara yang sama, jika Anda menghubungkan dua titik dengan potensi yang berbeda dengan penghantar, itu akan mengalir listrik, ditentukan tidak hanya oleh resistansi konduktor, tetapi juga oleh perbedaan potensial (tetapi tidak oleh nilai absolutnya). Melanjutkan analogi dengan air, kita dapat mengatakan bahwa air di kolam atas akan segera habis, dan jika tidak ada gaya yang akan menggerakkan air kembali (misalnya, pompa), maka aliran akan berhenti dengan sangat cepat.
Begitu juga dalam rangkaian listrik - untuk mempertahankan perbedaan potensial pada tingkat tertentu, diperlukan gaya yang mentransfer muatan (lebih tepatnya, pembawa muatan) ke titik dengan potensi tertinggi. Gaya ini disebut gaya gerak listrik dan disingkat EMF. EMF dapat bersifat berbeda - elektrokimia, elektromagnetik, dll.
Dalam praktiknya, terutama perbedaan potensial antara titik awal dan akhir lintasan pembawa muatan yang penting. Dalam hal ini, perbedaan ini disebut tegangan, dan dalam SI juga diukur dalam volt.Kita dapat berbicara tentang tegangan 1 Volt jika medan bekerja 1 Joule ketika memindahkan muatan 1 Coulomb dari satu titik ke titik lain, yaitu, 1V \u003d 1J / 1C, dan J / C juga dapat menjadi satuan perbedaan potensial.
Permukaan ekuipotensial
Jika potensi beberapa titik sama, dan titik-titik ini membentuk permukaan, maka permukaan seperti itu disebut ekuipotensial. Sifat seperti itu, misalnya, memiliki bola yang dibatasi di sekitar muatan listrik, karena medan listrik berkurang dengan jarak yang sama ke segala arah.
Semua titik di permukaan ini memiliki energi potensial yang sama, jadi ketika muatan bergerak di atas bola seperti itu, tidak ada usaha yang dikeluarkan. Permukaan ekuipotensial sistem beberapa muatan memiliki bentuk yang lebih kompleks, tetapi mereka memiliki satu sifat yang menarik - mereka tidak pernah berpotongan. Garis-garis gaya medan listrik selalu tegak lurus terhadap permukaan-permukaan dengan potensial yang sama di setiap titiknya. Jika permukaan ekuipotensial dipotong oleh sebuah bidang, garis potensial yang sama akan diperoleh. Ini memiliki sifat yang sama dengan permukaan ekuipotensial. Dalam praktiknya, misalnya, titik-titik pada permukaan konduktor yang ditempatkan dalam medan elektrostatik memiliki potensial yang sama.
Setelah berurusan dengan konsep beda potensial dan potensial, Anda dapat melanjutkan ke studi lebih lanjut tentang fenomena listrik. Tetapi tidak lebih awal, karena tanpa memahami prinsip dan konsep dasar, tidak mungkin untuk memperdalam pengetahuan.
Artikel serupa:
