Elektrisk potential: definition, enhet (volt) och betydelse
Lär dig vad elektrisk potential är, dess enhet volt (V), hur den mäts och varför den är avgörande för elektriska kretsar.
Elektrisk potential är den elektriska potentiella energin (EPE) per laddningsenhet. (Enheten för energi är joule och enheten för laddning är coulomb.) Den elektriska potentialen anger hur mycket elektrisk potentiell energi ett laddat föremål har per coulomb laddning, det vill säga hur många joule energi som finns per coulomb. Enheten för elektrisk potential, joule per coulomb, kallas volt till minne av Alessandro Volta. En volt är lika med en joule per coulomb.
Enhet och tolkning
Elektrisk potential (vanligen betecknad V) visar energiinnehållet per enhetsladdning. När en positiv testladdning flyttas från en punkt A till en punkt B i ett elektriskt fält görs arbete som ändrar dess potentiella energi. Potentialskillnaden mellan två punkter är det arbete per coulomb som krävs för att flytta en positiv enhetladdning mellan punkterna.
Viktiga formler
- Definition: V = U / q, där U är den elektriska potentiella energin och q är laddningen.
- Potentialskillnad (arbete per laddning): ΔV = V(B) − V(A) = W / q, där W är det arbete som utförs av yttre krafter när en laddning flyttas från A till B.
- Relation till elektriskt fält: ΔV = − ∫A→B E · dl. Detta visar att potentialskillnaden är minus linjeintegralen av det elektriska fältet längs en väg mellan punkterna.
- Fält från potential: E = −∇V (i vektoriell form), vilket innebär att det elektriska fältet pekar i riktningen där potentialen minskar snabbast.
- Potential för en punktladdning: V(r) = (1 / (4πε0)) · Q / r = k Q / r, där Q är punktladdningen, r avståndet från laddningen och k = 1/(4πε0).
Begreppet referens
Potential är ett relativt mått; endast skillnader i potential är fysiskt mätbara. Man måste välja en referenspunkt där potentialen sätts till noll (t.ex. jorden/”ground” eller oändligheten vid punktladdningar). Valet påverkar inte skillnader i potential eller fältet men bestämmer absoluta värden på V.
Equipotentialer och fältlinjer
Ytor (eller linjer i två dimensioner) där potentialen är konstant kallas equipotentialytor. Inget arbete krävs för att förflytta en laddning längs en sådan yta. Equipotentialer står alltid vinkelrätt mot elektriska fältlinjer.
Tillämpningar
- I elektriska kretsar beskriver spänning (potentialskillnad) drivkraften som pressar elektroner genom en komponent; en vanlig mätare för detta är voltmetern.
- Batterier och nätaggregat ger en bestämd potentialskillnad mellan sina terminaler (ofta kallad EMK eller spänning).
- Kalkyler av energiförluster, kapacitans, och fältfördelningar bygger ofta på potentialbegreppet.
Sammanfattning
Elektrisk potential är ett praktiskt sätt att beskriva hur mycket potentiell energi per enhetsladdning som finns i ett elektriskt system. Den mäts i volt (J/C) och är nära kopplad till det elektriska fältet via E = −∇V och till arbete genom ΔV = W/q. Förståelse av potential och potentialskillnader är central inom elektroteknik, fysik och många tekniska tillämpningar.
Inledning
En bra analogi är vatten i en kvarndamm. I en damm har vattnet potentiell gravitationsenergi på grund av hur högt det ligger över havsnivån. När vattnet går över ett fall förlorar det energi. Det kan finnas en damm i bergen med 100 liter vatten och 1000 joule energi i dammen, och det finns alltså 10 joule energi per liter. En annan damm kan ha 100 liter vatten men ändå bara 500 joule energi eftersom dammen ligger i en lägre dal. Denna damm har 5 joule per liter. På samma sätt kan vi ha 100 coulombs laddning med 1000 joule potentiell elektrisk energi lagrad någonstans, kanske i en elektrisk krets. Den elektriska potentialen skulle vara 10 joule energi per coulomb. På ett annat ställe, kanske ett annat ställe i samma elektriska krets, kan det finnas en elektrisk potential på 5 joule per coulomb.
Precis som en massa faller från en plats där den har en högre potentiell energi, ett flygplan eller någon annanstans i universum, till en plats där den har en lägre potentiell energi, marken eller en annan plats i universum, så gör även laddningar det. Laddningar kommer alltid att gå till en plats där de har lägre elektrisk potential eller potential. Denna rörelse kallas också för "fall". En grupp laddningar eller ett laddat föremål faller från en plats med en elektrisk potential på 10 joule per coulomb till en plats med en elektrisk potential på 5 joule per coulomb, eller från en plats med en elektrisk potential på 10 volt till en plats med en elektrisk potential på 5 volt. Om ett föremål har en laddning på 20 coulomb kommer det att falla från en elektrisk potentiell energi (EPE) på 200 joule (20 c x (10 j/c) = 200 joule) på en plats med en elektrisk potential på 10 volt till en elektrisk potentiell energi på 100 joule (20 c x (5 j/c) = 100 joule) på en plats med en elektrisk potential på 5 volt.
Gravitation
Även om detta koncept också gäller för gravitationen används det inte. Det är nästan alltid mer användbart att tänka på och använda ett objekts totala gravitationspotentiella energi, GPE, och inte använda GPE per kilogram. När det gäller elektricitet är det mycket ofta mer användbart att använda den elektriska potentialen, EPE per laddning, i stället för att använda den totala elektriska potentiella energin.
Elektrisk potentiell energi
Elektrisk potential är inte samma sak som elektrisk potentiell energi. Det är elektrisk potentiell energi per laddningsenhet. Elektrisk potential är inte samma sak som elektrisk potentialskillnad. Elektrisk potentialskillnad kallas också för spänning (se sidan om spänning).
Anmärkningar
Observera att volt och spänning är två olika saker. Volt är en enhet som vi mäter något med. Både elektrisk potential och spänning är saker som vi mäter, och volt är måttenheten för båda. Ja, det är lite förvirrande, men det är så det är. Symbolen för enheten volt skrivs med ett V (9 volt eller 9 V). När spänning används i en formel är symbolen för spänning ett litet v. (t.ex. spänning = ström x motstånd eller v = ir) Detta skiljer skillnaden mellan volt (V) och spänning (v) när det bara finns en symbol med en enda bokstav att utgå från. Elektrotekniker använder symbolen "e" för spänning (t.ex. e=ir) för att skilja skillnaden tydligare.
Frågor och svar
F: Vad är elektrisk potential?
S: Elektrisk potential är elektrisk potentiell energi (EPE) per laddningsenhet.
F: Vilka är enheterna för elektrisk potentialenergi och laddning?
S: Enheten för energi är joule och enheten för laddning är coulomb.
F: Hur berättar den elektriska potentialen om ett laddat objekt?
S: Den elektriska potentialen talar om vad den elektriska potentiella energin hos ett laddat föremål kommer att vara för varje coulomb laddning som det har, eller hur många joule energi det kommer att finnas per coulomb.
F: Vad kallas enheten för elektrisk potential?
S: Enheten för elektrisk potential, joule per coulomb, kallas volt till minne av Alessandro Volta.
F: Hur mycket motsvarar en volt?
S: En volt är lika med en joule per coulomb.
F: Vem var Alessandro Volta?
Svar: Alessandro Volta var en italiensk fysiker som uppfann det första batteriet år 1800.
Sök