Fushat e mundshme. Mund të vërtetohet se puna e çdo fushe elektrostatike kur lëviz një trup i ngarkuar nga një pikë në tjetrën nuk varet nga forma e trajektores, ashtu si puna. fushë uniforme. Në një trajektore të mbyllur, puna e fushës elektrostatike është gjithmonë zero. Fushat me këtë veti quhen potencial. Në veçanti, fusha elektrostatike e një ngarkese pika ka një karakter potencial.
Duke përdorur potencialin, ju mund ta shprehni punën si një ndryshim potencial. Një fushë force ka një potencial unik kur puna përfshin lëvizjen e masës midis dy pikave dhe pavarësisht nga shtegu i ndjekur. Nëse potenciali i fushës varet vetëm nga vendndodhja, puna e bërë në shtegun e mbyllur është zero. Në këtë rast, fusha e forcës gjithashtu mund të merret pa mëdyshje nga potenciali dhe vlen sa vijon.
Përveç konceptit të potencialit, ekziston koncepti i energjisë potenciale. Kjo nuk ndikon në madhësinë e diferencës së mundshme. Për të thjeshtuar llogaritjet, vendndodhja për të cilën ka potencial e barabartë me zero. Për shembull, energjia potenciale e fushës gravitacionale në raport me nivelin e detit. Për të përshkruar lëvizjen e planetëve, është më e përshtatshme të vendosni potencialin në pafundësi të barabartë me zero. Duke përdorur shembullin e fushës gravitacionale të Njutonit, këto terma duhet të sqarohen.
Puna e një fushe potenciale mund të shprehet në terma të një ndryshimi në energjinë potenciale. Formula është e vlefshme për një fushë elektrostatike arbitrare. Por vetëm në rastin e një fushe uniforme, energjia shprehet me formulën (8.19)
Potenciali. Energjia potenciale e një ngarkese në një fushë elektrostatike është proporcionale me ngarkesën. Kjo është e vërtetë si për një fushë homogjene (shih formulën 8.19) dhe për çdo fushë tjetër. Prandaj, raporti i energjisë potenciale ndaj ngarkesës nuk varet nga ngarkesa e vendosur në fushë.
Pra potenciali
Në këtë rast, linjat e potencialit konstant - të ashtuquajturat linja dipotenciale - janë rrathë. Duke qenë se niveli i detit është një ekuilibër natyror, ai është një pikë e mirë referimi për zgjidhjen e problemeve që lidhen me tokën. Në këtë rast, energjia potenciale është negative. Për shembull, për të përshkruar lëvizjen e planetëve. Një aplikim i rëndësishëm gjendet edhe në elektrostatikë në lidhje me potencialin Kulomb.
Nëse e shikojmë nga një këndvështrim më i thjeshtë, mund të mendojmë se fushe elektrike krijon një zonë ndikimi ku secila nga pikat e saj ka vetinë të sjellë energji potenciale në çdo ngarkesë që ndodhet brenda saj.
Kjo na lejon të prezantojmë një karakteristikë të re sasiore të fushës - potencial. Potenciali i fushës elektrostatike është raporti i energjisë potenciale të një ngarkese në fushë me këtë ngarkesë.
Sipas këtë përkufizim potenciali është i barabartë me:
Fuqia e fushës është vektor dhe përfaqëson forcën karakteristike të fushës; përcakton forcën që vepron në ngarkesë në një pikë të caktuar të fushës. Potenciali është skalar, është karakteristikë energjetike e fushës; përcakton energjinë potenciale të ngarkesës në një pikë të caktuar të fushës.
Nga ky arsyetim krijohet një sasi e re skalare e fushave elektrike, e quajtur potencial elektrik, dhe paraqet energjinë potenciale elektrostatike që merr një njësi të ngarkesës pozitive nëse e vendosim në atë pikë.
Potenciali elektrik në një pikë në hapësirën e fushës elektrike përfaqëson energjinë potenciale elektrike që fiton një qelizë me ngarkesë pozitive e vendosur në atë pikë. Fakti që të gjitha sasitë janë skalare e bën më të lehtë studimin e fushës elektrike.
Nëse marrim një pllakë të ngarkuar negativisht (Fig. 124) si nivel zero të energjisë potenciale, pra potencial, atëherë sipas formulave (8.19 dhe 8.20) potenciali i një fushe uniforme është i barabartë me:
Diferencë potenciale. Ashtu si energjia potenciale, vlera e potencialit në një pikë të caktuar varet nga zgjedhja e nivelit zero për leximin e potencialit. Ajo që ka rëndësi praktike nuk është vetë potenciali në një pikë, por ndryshimi i potencialit, i cili nuk varet nga zgjedhja e nivelit zero të referencës së mundshme.
Potenciali elektrik i krijuar nga një ngarkesë pikë
Po ta shikoni me vëmendje shprehjen, do ta kuptoni këtë. Potenciali elektrik është i pavarur nga ngarkesa e kontrollit që ne prezantojmë për ta matur atë.
Potenciali elektrik i krijuar nga ngarkesa të shumta pikash
Nëse nuk ka ngarkesë, energjia potenciale dhe potenciali elektrik janë zero. . Nëse një fushë elektrike krijohet nga ngarkesa me disa pika, potenciali elektrik në një pikë ndjek parimin e mbivendosjes.Diferenca e potencialit elektrik
Kjo vlerë është e lidhur ngushtë me punë elektrike. Nëse zbatojmë përkufizimin e potencialit elektrik, marrim.
Potenciali elektrik dhe lëvizja e ngarkesave
Nëse analizohet me kujdes shprehja e diferencës së potencialit. Ngarkesat pozitive lëvizin nga zonat me potencial elektrik të lartë në zonat me potencial elektrik më të ulët. Ngarkesat negative lëvizin nga zonat me potencial elektrik më të ulët në zonat me potencial elektrik më të lartë. Duke marrë parasysh se kur studiohet në seksionin e forcës së fushës elektrike, ngarkesat pozitive lëvizin në drejtim të intensitetit të specifikuar, atëherë forca e fushës elektrike rrjedh gjithmonë nga zonat me potencial më të lartë në zonat me potencial më të ulët.Kështu, diferenca potenciale (tensioni) midis dy pikave është e barabartë me raportin e punës së bërë nga fusha për të lëvizur një ngarkesë nga pika e fillimit në pikën përfundimtare ndaj kësaj ngarkese.
Duke ditur tensionin në rrjetin e ndriçimit, ne e dimë kështu punën që mund të bëjë fusha elektrike kur lëviz një ngarkesë njësi nga një kontakt i prizës në tjetrin përgjatë ndonjë qark elektrik. Ne do të merremi me konceptin e ndryshimit potencial gjatë gjithë kursit të fizikës.
Forca e fushës elektrike gjithmonë tregon një ulje të potencialeve. Diferenca e mundshme midis dy pikave në një qark. Emilio shfaqet para shtëpisë si një fqinj me flokë të njomur. Në duar mban një tharëse: "Emilio, a kupton tharëse?" Emilio, në fillim, qëndron në vend, por befas kujton studimet e tij teorike në inxhinieri elektrike. tharësja përsëri dhe me njehsor mat tensionin që arrin në motor.
Fqinji juaj është nervoz. Çfarë të ndodhi ty? Mund ta rregulloni këtë? Emilio vazhdon të mendojë dhe të buzëqeshë: A do të jem budalla? Ai e shtypi atë, ai do të donte të dukej mirë me fqinjin e tij. Emilio buzëqesh, zbuloi se ku qëndron problemi: spina e pirunit. Zhbllokoni atë dhe sigurohuni që kablloja të jetë shkëputur. Emilio e zgjidhi problemin.
Njësia e diferencës potenciale. Njësia e diferencës potenciale vendoset duke përdorur formulën (8.24). Në sistemin ndërkombëtar të njësive, puna shprehet në xhaul dhe ngarkesa në kulonë. Prandaj, diferenca potenciale midis dy pikave është e barabartë me njësinë nëse, kur lëvizni një ngarkesë prej 1 C nga një pikë në tjetrën, fusha elektrike kryen punë 1 J. Kjo njësi quhet volt
Në mënyrë që çdo pajisje elektrike të funksionojë, çdo komponent i së njëjtës pajisje kërkon tension. Në raste të tjera, disa komponentë kanë një tension më të ulët ose diferencë potenciale. Në këtë seksion të fundit, ne do të mësojmë se si të llogarisim ndryshimin e potencialit midis çdo dy pikash në një qark. Ky seksion është i rëndësishëm për botimet e mëvonshme. Ju jeni gati? Shkojme!
Le të fillojmë me pjesën e qarkut midis dy pikave. Duhet të shikojmë drejtimin e rrymës dhe elementët e ndryshëm të qarkut. Nëse fillojmë në pikën A dhe zbatojmë parimin e ruajtjes së energjisë, duhet. Prandaj mund të themi se. Duhet të keni parasysh gjithashtu se diferenca potenciale midis dy poleve të gjeneratorit është më e vogël se forca elektromotore, kjo është për shkak të rezistencës së saj të brendshme.
1. Cilat fusha quhen potenciale? 2. Si lidhet ndryshimi i energjisë potenciale me punën? 3. Sa është energjia potenciale e një grimce të ngarkuar në një fushë elektrike uniforme? 4. Përcaktoni potencialin. Cili është ndryshimi i mundshëm midis dy pikave në fushë?
Le të kemi një fushë elektrike të pafundme uniforme. Në pikën M vendoset një ngarkesë + Q - Ngarkesa + Q e lënë në vetvete nën ndikimin e forcave elektrike të fushës do të lëvizë në drejtim të fushës në një distancë pafundësisht të madhe. Në këtë lëvizje të ngarkesës do të shpenzohet energjia e fushës elektrike. Potenciali i një pike të caktuar fushe është puna e shpenzuar nga një fushë elektrike kur ajo lëviz një njësi pozitive të ngarkesës nga një pikë e caktuar fushe në një pikë në pafundësi. Për të zhvendosur ngarkesën +Q nga një pikë në pafundësi përsëri në pikën M, forcat e jashtme duhet të prodhojnë veprën A, e cila shkon drejt kapërcimit të forcave elektrike të fushës. Pastaj për potencialin e pikës M marrim:
Po kështu, diferenca potenciale midis terminaleve të marrësit është më e lartë se forca e tij e pasme elektromotore. Duke pasur parasysh qarkun e mëposhtëm, në të cilin nuk do të marrim parasysh rezistencat e brendshme të elementeve, llogarisni. Duhet të mbani mend Ligjin e Ohmit. Ju duhet të sqaroni lidhjen midis gjeneratorëve.
Pafundësia shihet si një pikë referimi ku energjia potenciale është zero. Konsideroni një hapësirë në të cilën ka një fushë elektrike, dhe ku kemi një ngarkesë elektrike pozitive në pafundësi. Kjo është e ngjashme me ngjeshjen e një sustë, pasi nëse lëshojmë një ngarkesë elektrike, ajo kthehet në pafundësi nën ndikimin e një fushe elektrike dhe konsumon energjinë e ruajtur. Potenciali përkufizohet si energjia e ruajtur për njësi të ngarkesës elektrike.
Kështu, njësia absolute elektrostatike e potencialit është treqind herë më e madhe se njësia praktike e voltit.
Nëse një ngarkesë e barabartë me 1 kulon lëviz nga një pikë në pafundësi në një pikë të fushës, potenciali i së cilës është 1 volt, atëherë kryhet 1 xhaul. Nëse 15 kulonë energji elektrike lëvizin në një pikë fushore me potencial 10 V nga një pikë pafundësisht e largët, atëherë puna e bërë është 10 -15 = 150 xhaul.
Nga sa më sipër, konkludojmë se prania e një fushe elektrike çon në një ndryshim potencial, dhe gjithashtu një ndryshim potencial çon në një fushë elektrike. Kur studiojmë potencialin në pikën e mëparshme, vërejmë se ndryshimi i potencialit çon në një zhvendosje ngarkesat elektrike.
Quhet përçues i çdo materiali që lejon zhvendosjen e ngarkesave elektrike. Nëse kemi një element përçues dhe aplikojmë një ndryshim potencial midis skajeve të tij, do të kemi një zhvendosje të ngarkesave elektrike. Quhet rrymë elektrike për sasinë e ngarkesave elektrike që kalojnë prerjen tërthore të një përcjellësi për njësi të kohës, pra në vlerat e çastit që kemi.
Matematikisht, kjo varësi shprehet me formulën:
Për të lëvizur nga pika A me një potencial 20 V në pikën B me një potencial 15 V 10 kulonë energji elektrike, fusha duhet të kryejë punën:
Gjatë studimit të fushës elektrike, vërejmë se në këtë fushë ndryshimi i potencialit midis dy pikave të fushës quhet edhe tension midis tyre, i matur në volt dhe i shënuar me shkronjën U.
Njësia matëse e rrymës elektrike quhet amper. Ngarkesa në përcjellës mund të lëvizë me njëfarë lirie. Sasia e ngarkesës që rrjedh nëpër një përcjellës për njësi të kohës është aktuale. Ata që janë përgjegjës për ruajtjen e rrymës në një qark elektrik janë gjeneratorë elektrikë, të cilat furnizojnë qarkun me energjinë e saktë për ta bërë këtë. Dy ligje të natyrës eksperimentale, të zbuluara nga Ohm dhe Joule, sigurojnë përkatësisht marrëdhënie të caktuara që lehtësojnë studim shkencor rryme elektrike.
Një karakteristikë thelbësore e përcjellësve, qofshin të ngurtë, të lëngët ose të gaztë, është se ata ngarkojnë grimca që mund të lëvizin lirshëm nën ndikimin e fushave elektrike. Kur një përcjellës i shkarkuar vihet në kontakt me një trup të ngarkuar, një zhvendosje e ngarkesës ndodh nga njëra në tjetrën nën ndikimin e forcave elektrike. Nëse të dyja janë të izoluara, lëvizja e ngarkesave të lira do të vazhdojë për disa momente dhe sistemi i ngarkesës do të gjejë një konfigurim ekuilibri në të cilin forcat elektrike që veprojnë në secilën ngarkesë anulojnë njëra-tjetrën.
Puna e bërë nga forcat e fushës elektrike mund të shkruhet si më poshtë:
Për të lëvizur një ngarkesë q përgjatë vijave të fushës nga një pikë e një fushe uniforme në tjetrën, e vendosur në një distancë l, duhet të bëhet puna:
Kjo është marrëdhënia më e thjeshtë midis fuqisë së fushës elektrike dhe tensionit elektrik për një fushë uniforme.
Kjo është ajo që ndodh kur një tel metalik lidhet me një nga skajet e tij vetëm në një nga terminalet e baterisë. Në këtë rast, pjesa e fizikës që studion këtë lloj lëvizjeje të ngarkesave elektrike përmes një përcjellësi quhet elektrokinetikë.
Ngarkesat lëvizëse dhe rryma elektrike. Për sa i përket potencialit, mund të themi se për të mbajtur një rrymë elektrike, duhet të ketë një ndryshim të vazhdueshëm potencial midis skajeve të përcjellësit. Nëse kjo zvogëlon efektin e qarkullimit të ngarkesës, fusha elektrike bëhet zero dhe ndalon lëvizjen. Kjo është një situatë që korrespondon me ato ndërrime të ngarkesës që ndodhin kur një përcjellës i izoluar ngarkohet ose shkarkohet elektrike.
Vendndodhja e pikave me potencial të barabartë rreth sipërfaqes së një përcjellësi të ngarkuar varet nga forma e kësaj sipërfaqeje. Nëse merrni 
për shembull, një top metalik i ngarkuar, atëherë pikat me potencial të barabartë në fushën elektrike të krijuar nga topi do të shtrihen në një sipërfaqe sferike që rrethon topin e ngarkuar. Sipërfaqja me potencial të barabartë, ose, siç quhet ndryshe, sipërfaqja ekuipotenciale, shërben si një mënyrë e përshtatshme grafike për të përshkruar fushën. Në fig. Figura 13 tregon një pamje të sipërfaqeve ekuipotenciale të një topi të ngarkuar pozitivisht.
Për shkak të lehtësisë së përdorimit të tij në elektrokinetikë, koncepti i ndryshimit të potencialit, i quajtur gjithashtu tension elektrik, përdoret për të përshkruar vetitë e fushës brenda një përcjellësi, pasi varet nga lëvizja e ngarkesave të lira nga një pikë në tjetrën i rrymës elektrike varet jo vetëm nga shenja e diferencës së potencialit, por edhe nga shenja e elementeve mbajtëse ose ngarkesave lëvizëse të pranishme në përcjellës.
Në një përcjellës metalik, bartësit e ngarkesës janë elektronet, kështu që zhvendosja e tyre do të ndodhë nga fundi i përcjellësit në potencialin më të ulët deri në kufirin në fuqi më të larta ose në formën e shenjave nga poli negativ në polin pozitiv. Në një tretësirë të kripur, bartësit e ngarkesës janë jone pozitive dhe negative; kur një shpërbërje e tillë i nënshtrohet një ndryshimi potencial konstant, siç është ai që ndodh midis terminaleve të një qelize, krijohen lëvizje të lëvizjes në drejtime të kundërta; ngarkesat pozitive do të zhvendosen duke shpërbërë fundin potencial më të lartë nga poli pozitiv i pirgut në polin negativ, dhe gjithashtu potencialin negativ në drejtim të kundërt.
Për një ide të qartë se si ndryshimi i potencialit ndryshon në një fushë të caktuar, sipërfaqet ekuipotenciale duhet të vizatohen në mënyrë që diferenca e mundshme midis pikave të shtrira në dy
Sipërfaqet e mesme ishin të njëjta, për shembull të barabarta me 1 inç. Le të përshkruajmë sipërfaqen fillestare, zero, ekuipotenciale me një rreze arbitrare. Ne vizatojmë sipërfaqet e mbetura 1, 2, 3, 4 në mënyrë që ndryshimi potencial midis pikave që shtrihen në këtë sipërfaqe dhe në sipërfaqet fqinje të jetë 1 V. Sipas përkufizimit të një sipërfaqe ekuipotenciale, diferenca potenciale midis pikave individuale që shtrihen në të njëjtën sipërfaqe është zero; prandaj, ngarkesa lëviz përgjatë sipërfaqes ekuipotenciale pa shpenzuar punë. Nga kjo figurë është e qartë se ndërsa i afrohemi një trupi të ngarkuar, sipërfaqet ekuipotenciale vendosen më afër njëra-tjetrës, pasi potenciali i pikave të fushës rritet dhe diferenca potenciale midis sipërfaqeve ngjitur, sipas kushteve të pranuara, mbetet e njëjtë. . Dhe, anasjelltas, ndërsa largoheni nga një trup i ngarkuar, sipërfaqet ekuipotenciale vendosen më rrallë. Linjat elektrike të forcës janë pingul me sipërfaqen ekuipotenciale në çdo pikë, pasi vetëm nëse forca dhe zhvendosja janë pingule, puna e forcave elektrike kur një ngarkesë lëviz përgjatë një sipërfaqe ekuipotenciale mund të jetë e barabartë me zero. Sipërfaqja e një përcjellësi të ngarkuar në vetvete është një sipërfaqe ekuipotenciale, domethënë, të gjitha pikat në sipërfaqen e përcjellësit kanë të njëjtin potencial. Të gjitha pikat brenda përcjellësit kanë të njëjtin potencial.
Diçka e ngjashme ndodh në një mjedis të gaztë të jonizuar, të tillë si ai i marrë brenda një tubi fluoreshent ose neoni, i nënshtruar një ndryshimi potencial intensiv. Benjamin Franklin ishte i pari që caktoi ndjesinë e rrymës elektrike qarkulluese në përçuesit metalikë. Ai sugjeroi se ky është energji elektrike pozitive, e cila, si një lëng i hollë, lëviz brenda përcjellësit. Sipas këtij supozimi, elektricitet do të qarkullojë nga poli pozitiv në polin negativ.
Më shumë se një shekull më vonë, teoria moderne atomike tregoi se elektronet janë bartës të ngarkesës në metale, kështu që kuptimi i vërtetë i rrymës rezulton të jetë pikërisht e kundërta e asaj që zhvilloi Franklin. Për arsye historike, dhe duke pasur parasysh se në elektrokinetikë drejtimi i rrjedhës së rrymës nuk ka shumë rëndësi, postulati i Franklinit vazhdon të pranohet si i pranuar përgjithësisht. Sidoqoftë, në fusha të tjera të fizikës, siç është elektronika, dallimi midis të dyve është i rëndësishëm.
Nëse merrni dy përçues me potenciale të ndryshme dhe i lidhni me një tel metalik, atëherë meqenëse ka një ndryshim potencial ose tension midis skajeve të telit, një fushë elektrike do të veprojë përgjatë telit. Elektronet e lira të telit, nën ndikimin e fushës, do të fillojnë të lëvizin në drejtim të rritjes së potencialit, d.m.th., një rrymë elektrike do të fillojë të rrjedhë nëpër tela. Lëvizja e elektroneve do të vazhdojë derisa potencialet e përcjellësve të bëhen të barabarta dhe diferenca e potencialit ndërmjet tyre të bëhet zero.
Nëse dy enë me nivele të ndryshme uji lidhen nga poshtë me një tub, atëherë uji do të rrjedhë përmes tubit. Lëvizja e ujit do të vazhdojë derisa nivelet e ujit në enët të vendosen në të njëjtën lartësi dhe diferenca në nivele të bëhet e barabartë me zero.
Meqenëse çdo përcjellës i ngarkuar i lidhur me tokën humb pothuajse të gjithë ngarkesën e tij, potenciali i tokës supozohet në mënyrë konvencionale të jetë zero.