Разность потенциалов и напряжение

Электрический потенциал (${\displaystyle \varphi }$) — скалярная физическая величина, характеризующая энергетическое состояние точки в электрическом поле. Он определяется как отношение потенциальной энергии (${\displaystyle W_{p}}$) заряда в данной точке к величине этого заряда (${\displaystyle q}$):

${\displaystyle \varphi ={\frac {W_{p}}{q}}}$.

Потенциал позволяет определить, какую работу совершит электрическое поле при перемещении заряда из одной точки в другую.

Разность потенциалов между двумя точками (A и B) — это разность значений потенциала в этих точках:

${\displaystyle \Delta \varphi =\varphi _{A}-\varphi _{B}}$.

Она равна работе, которую совершает электрическое поле при переносе единичного положительного заряда из точки A в точку B:

${\displaystyle \Delta \varphi ={\frac {A_{AB}}{q}}}$.

Напряжение (${\displaystyle U}$) — физическая величина, численно равная разности потенциалов между двумя точками электрического поля или цепи:

${\displaystyle U=\varphi _{A}-\varphi _{B}}$.

Напряжение характеризует способность электрического поля совершать работу по перемещению зарядов. Единицей измерения напряжения в системе СИ является вольт (В), где 1 вольт равен разности потенциалов между двумя точками, при перемещении между которыми зарядом в 1 кулон совершается работа в 1 джоуль:

${\displaystyle 1\,{\text{В}}=1\,{\dfrac {\text{Дж}}{\text{Кл}}}}$.

В однородном электрическом поле напряжение связано с напряжённостью поля (${\displaystyle \mathbf {E} }$) и расстоянием (${\displaystyle d}$) между точками A и B:

${\displaystyle U=E\cdot d}$.

Здесь напряжённость поля определяется как сила (${\displaystyle \mathbf {F} }$), действующая на единичный положительный заряд:

${\displaystyle \mathbf {E} ={\dfrac {\mathbf {F} }{q}}}$.

Потенциальная энергия заряда в электрическом поле определяется как:

${\displaystyle W_{p}=q\varphi }$.

Это энергия, которую имеет заряд благодаря своему положению в электрическом поле. При перемещении заряда работа электрического поля равна разности потенциальных энергий:

${\displaystyle A_{AB}=W_{pA}-W_{pB}=q(\varphi _{A}-\varphi _{B})}$.

Потенциал (${\displaystyle \varphi }$) в точке, расположенной на расстоянии ${\displaystyle r}$ от точечного заряда ${\displaystyle Q}$, определяется формулой:

${\displaystyle \varphi ={\dfrac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\cdot {\dfrac {Q}{r}}}$,

где ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ — электрическая постоянная.

В электростатике потенциалы от отдельных зарядов складываются алгебраически:

${\displaystyle \varphi =\varphi _{1}+\varphi _{2}+\ldots +\varphi _{n}}$.

Это позволяет вычислять потенциал в любой точке пространства при наличии нескольких зарядов.

В электрических цепях напряжение между двумя точками характеризует работу, которую может совершить электрическое поле при перемещении заряда между этими точками. Закон Ома для участка цепи связывает напряжение (${\displaystyle U}$), силу тока (${\displaystyle I}$) и сопротивление (${\displaystyle R}$):

${\displaystyle U=I\cdot R}$.

• Напряжение измеряется в вольтах (В).
• Разность потенциалов также выражается в вольтах.
• Для измерения напряжения используются вольтметры.

Разность потенциалов и напряжение являются фундаментальными понятиями электричества, описывающими работу электрического поля по перемещению зарядов. Они связаны с потенциалом электрического поля и позволяют рассчитывать энергетические процессы в электростатике и электрических цепях. Понимание этих понятий важно для изучения электрических явлений и их практического применения.

• Калашников Н. В., Стоцкий Л. Р., Добрынина Н. П., Любимов Н. Г., Смирнов В. И., Тарасов Д. А. Единицы измерения и обозначения физико-технических величин. Справочник. — Москва : Изд-во «Недра», 1966.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 3. Электричество. — Москва : Физматлит, 2014.