Elektrinis potencialas: kas tai, voltai ir skirtumas nuo įtampos

Elektrinis potencialas: aiškiai apie voltus, elektrinę potencialinę energiją ir skirtumą nuo įtampos — formulės, analogijos ir praktiniai pavyzdžiai.

Elektrinis potencialas – tai elektrinė potencinė energija (EPE), tenkanti krūvio vienetui. Energijos vienetas yra džaulis (J), o krūvio vienetas – kulonas (C). Elektrinis potencialas parodo, kiek elektrinės potencinės energijos tenka vienam kulonui krūvio: matematiškai V = EPE / q. Kitaip sakant, jeigu objektas turi krūvį q ir elektrinę potencinę energiją U, tai elektrinis potencialas V = U/q, o atitinkamai U = qV.

Vienetai ir simboliai

Elektrinio potencialo matavimo vienetas yra voltas (V). Vienas voltas lygu vienam džauliui vienam kulonui (1 V = 1 J/C). Taigi tiek elektrinis potencialas, tiek įtampa matuojami voltais. Svarbu atskirti sąvokas: voltas – tai matavimo vienetas, o įtampa (potencialų skirtumas) ir elektrinis potencialas – tai fizikinės dydžiai, kuriuos matuojame.

Analogija su vandeniu ir paprasti skaičiavimai

Gera analogija – vanduo malūno tvenkinyje. Tvenkinyje esantis vanduo turi gravitacinę potencinę energiją dėl aukščio virš žemės. Jeigu viename tvenkinyje yra 100 litrų vandens ir jis turi 1000 džaulių energijos, tai vienam litrui tenka 10 džaulių. Kitame, žemiau esančiame tvenkinyje 100 litrų gali turėti tik 500 džaulių, tai viename litre – 5 džauliai. Panašiai elektrikoje: 100 kulonų krūvio su 1000 J elektrinės potencinės energijos reiškia 10 J vienam kulonui, t. y. potencialas 10 V; kitoje vietoje gali būti 5 J vienam kulonui – potencialas 5 V.

Pavyzdys skaičiais: jeigu įkrautas kūnas turi 20 C krūvį ir jis juda iš vietos, kur V1 = 10 V, į vietą, kur V2 = 5 V, jo elektrinė potencinė energija pasikeičia ΔU = q·(V2 − V1) = 20·(5 − 10) = −100 J. Tai reiškia, kad kūnas netenka 100 J potenci­nios energijos (ji gali virsti šiluma ar atlikti darbą).

Potencialas vs. įtampa

Elektrinis potencialas (potencialas) – tai skaliarinis dydis, apibūdinantis kiek energijos tenka vienam krūvio vienetui tam tikroje vietoje. Potencialų skirtumas tarp dviejų taškų vadinamas įtampa (arba potencialų skirtumu). Voltų vienetas yra tas pats, tačiau reikšmė skiriasi: potencialas susijęs su atskiru tašku (dažnai pasirenkama nulio reikšmė, pvz., žemė), o įtampa – skirtumas tarp dviejų taškų.

Praktiniu požiūriu matuojame būtent įtampą – pvz., baterijos terminalų įtampa 9 V reiškia, kad tarp pliuso ir minuso yra 9 J energijos vienam kulonui skirtumas. Matavimo prietaisas voltmetras prijungiamas tarp dviejų taškų ir fiksuoja šį skirtumą.

Krūvių judėjimas ir ženklas

Teigiamas krūvis savaime judės nuo aukštesnio potencialo link žemesnio (nuo didesnio V prie mažesnio V), nes tokia kryptimi EPE mažėja. Elektronai (neigiami krūviai) juda priešinga kryptimi – nuo žemesnio potencialo link aukštesnio. Svarbu atsiminti ženklus: energijos pokytis ΔU = q·ΔV.

Potencialas kaip skalariškas laukas ir ryšys su elektriniu lauku

Elektrinis potencialas yra skalariška funkcija (skaičius kiekviename taške). Elektrinis laukas E yra vektorius ir susietas su potencialu taip: E = −∇V (vienmatis atveju E = −dV/dx). Tai reiškia, kad lauko kryptis nurodo, kuriuo keliu potencialas greičiausiai mažėja, o minus ženklas rodo, kad laukas stumia teigiamus krūvius link mažesnio potencialo.

Pastabos ir dažnos konvencijos

• Potencialas nėra unikalus – jį galima padidinti arba sumažinti konstantu be poveikio elektriniam laukui; todėl dažnai pasirenkamas tam tikras nulio lygis (pvz., žemė arba begalybė).
• Simboliai ir konvencijos skiriasi: potencialą žymi φ arba V, įtampą dažnai žymi ΔV arba U; matavimo vieneto simbolis yra V (voltai). Matematinė rašyba turėtų aiškiai atskirti fizikinį dydį nuo jo vieneto.
• Nors analogija su gravitacija yra naudinga, gravitacinės potencialinės energijos dažnai skaičiuojame kaip visą GPE, o ne vienam kilogramui; elektros srityje dažniau naudojama EPE vienam krūviui – būtent tai yra elektrinis potencialas.

Jeigu norite, galiu pridėti paveikslėlį su potencialo grafiku, parodantį ryšį tarp V, E ir judėjimo krypčių, arba pateikti papildomų uždavinių su sprendimais.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra elektrinis potencialas?

K: Kokie yra elektrinės potencinės energijos ir krūvio vienetai?

K: Kaip elektrinis potencialas pasako apie įkrautą objektą?

K: Kaip vadinamas elektrinio potencialo vienetas?

K: Kiek vienas voltas yra lygus vienam voltui?

K: Kas buvo Alessandro Volta?

Paieška pagal raidę