O conceito de potencial elétrico é um dos fundamentos importantes da teoria da eletrostática e eletrodinâmica. Compreender sua essência é uma condição necessária para um estudo mais aprofundado desses ramos da física.
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O que é potencial elétrico
Seja uma carga unitária q colocada no campo criado por uma carga fixa Q, que é afetada por Força de Coulomb F=k*Qq/r.
Aqui e abaixo k=((1/4)*π* ε* ε), onde ε0 — constante elétrica (8,85*10-12 F/m), enquanto ε é constante dielétrica média.
Contribuído carregar sob a ação dessa força, ele pode se mover, e a força fará uma certa quantidade de trabalho. Isso significa que um sistema de duas cargas tem uma energia potencial que depende da magnitude de ambas as cargas e da distância entre elas, e a magnitude dessa energia potencial não depende da magnitude da carga q. Aqui a definição do potencial elétrico é introduzida - é igual à razão entre a energia potencial do campo e a magnitude da carga:
φ=W/q,
onde W é a energia potencial do campo criado pelo sistema de cargas, e o potencial é a energia característica do campo. Para mover uma carga q em um campo elétrico por alguma distância, é necessário despender uma certa quantidade de trabalho para superar as forças de Coulomb. O potencial de um ponto é igual ao trabalho que deve ser despendido para mover uma unidade de carga deste ponto até o infinito. Ao fazê-lo, deve-se notar que:
- este trabalho será igual à diminuição da energia potencial da carga (A = W2-C1);
- trabalho não depende da trajetória da carga.
No sistema SI, a unidade de potencial é um Volt (na literatura russa é indicado pela letra V, na literatura estrangeira - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, ou seja, podemos falar sobre o potencial de um ponto de 1 volt, se for necessário 1 Joule para mover uma carga de 1 C para o infinito. O nome foi escolhido em homenagem ao físico italiano Alessandro Volta, que contribuiu significativamente para o desenvolvimento da engenharia elétrica.
Para visualizar o que é um potencial, ele pode ser comparado com a temperatura de dois corpos ou com a temperatura medida em diferentes pontos do espaço. A temperatura é uma medida do aquecimento dos objetos, e o potencial é uma medida da carga elétrica. Diz-se que um corpo é aquecido mais que outro, também pode-se dizer que um corpo é mais carregado e o outro menos. Esses órgãos têm potencial diferente.
O valor do potencial depende da escolha do sistema de coordenadas, portanto é necessário algum nível, que deve ser tomado como zero. Ao medir a temperatura, por exemplo, a temperatura do gelo derretido pode ser tomada como linha de base.Para o potencial, o potencial de um ponto infinitamente distante é geralmente considerado como o nível zero, mas para resolver alguns problemas, por exemplo, o potencial de terra ou o potencial de uma das placas do capacitor pode ser considerado como zero.
Propriedades potenciais
Entre as propriedades importantes do potencial, deve-se notar o seguinte:
- se o campo for criado por várias cargas, então o potencial em um determinado ponto será igual à soma algébrica (levando em consideração o sinal da carga) dos potenciais criados por cada uma das cargas φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+…+φn;
- se as distâncias das cargas são tais que as próprias cargas podem ser consideradas como cargas puntiformes, então o potencial total é calculado pela fórmula φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+…+qn/rn), onde r é a distância da carga correspondente então do ponto considerado.
Se o campo é formado por um dipolo elétrico (duas cargas conectadas de sinal oposto), então o potencial em qualquer ponto localizado a uma distância r do dipolo será igual a φ=k*p*cosά/r2, Onde:
- p é o braço elétrico do dipolo, igual a q*l, onde l é a distância entre as cargas;
- r é a distância ao dipolo;
- ά é o ângulo entre o braço dipolo e o vetor raio r.
Se o ponto está no eixo do dipolo, então cosά=1 e φ=k*p/r2.
Diferença potencial
Se dois pontos têm um certo potencial, e se eles não são iguais, então eles dizem que existe uma diferença de potencial entre os dois pontos. A diferença de potencial ocorre entre os pontos:
- cujo potencial é determinado por cargas de sinais diferentes;
- um ponto com potencial de uma carga de qualquer sinal e um ponto com potencial zero;
- pontos que têm o potencial do mesmo sinal, mas diferem em valor absoluto.
Ou seja, a diferença de potencial não depende da escolha do sistema de coordenadas.Uma analogia pode ser feita com poças de água localizadas em diferentes alturas em relação à marca zero (por exemplo, nível do mar).
A água de cada piscina tem uma certa energia potencial, mas se você conectar duas piscinas com um tubo, em cada uma delas haverá um fluxo de água, cuja vazão é determinada não apenas pelo tamanho do tubo , mas também pela diferença de energias potenciais no campo gravitacional da Terra (ou seja, a diferença de altura). O valor absoluto das energias potenciais não importa neste caso.
Da mesma forma, se você conectar dois pontos com potencial diferente com um condutor, ele fluirá eletricidade, determinado não só pela resistência do condutor, mas também pela diferença de potencial (mas não pelo seu valor absoluto). Continuando a analogia com a água, podemos dizer que a água da piscina superior logo se esgotará, e se não houver força que mova a água de volta para cima (por exemplo, uma bomba), o fluxo será interrompido muito rapidamente.
Assim é em um circuito elétrico - para manter uma diferença de potencial em um determinado nível, é necessária uma força que transfere cargas (mais precisamente, portadores de carga) para um ponto de maior potencial. Essa força é chamada de força eletromotriz e é abreviada como EMF. EMF pode ser de natureza diferente - eletroquímica, eletromagnética, etc.
Na prática, é principalmente a diferença de potencial entre os pontos inicial e final da trajetória dos portadores de carga que importa. Nesse caso, essa diferença é chamada de tensão e, no SI, também é medida em volts.Podemos falar de uma tensão de 1 Volt se o campo realizar um trabalho de 1 Joule ao mover uma carga de 1 Coulomb de um ponto para outro, ou seja, 1V \u003d 1J / 1C, e J / C também pode ser uma unidade de diferença potencial.
Superfícies equipotenciais
Se o potencial de vários pontos é o mesmo e esses pontos formam uma superfície, essa superfície é chamada equipotencial. Tal propriedade tem, por exemplo, uma esfera circunscrita em torno de uma carga elétrica, pois o campo elétrico diminui com a distância igualmente em todas as direções.
Todos os pontos desta superfície têm a mesma energia potencial, portanto, ao mover uma carga sobre tal esfera, nenhum trabalho será gasto. As superfícies equipotenciais de sistemas de várias cargas têm uma forma mais complexa, mas têm uma propriedade interessante - elas nunca se cruzam. As linhas de força do campo elétrico são sempre perpendiculares às superfícies com o mesmo potencial em cada um de seus pontos. Se a superfície equipotencial for cortada por um plano, uma linha de potenciais iguais será obtida. Tem as mesmas propriedades de uma superfície equipotencial. Na prática, por exemplo, pontos na superfície de um condutor colocados em um campo eletrostático têm um potencial igual.
Tendo lidado com o conceito de potencial e diferença de potencial, você pode prosseguir para o estudo mais aprofundado dos fenômenos elétricos. Mas não antes, pois sem entender os princípios e conceitos básicos, não será possível aprofundar o conhecimento.
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