تحقیق رایگان سایت علمی و پژوهشی آسمان , تحقیقات دانش آموزی ، فرهنگیان و دانشجویان اقدام پژوهی گزارش تخصصی

اختلاف پتانسیل الکتریکی

اختلاف پتانسیل الکتریکی، (VB - VA) میان دو نقطه B و A در یک میدان الکتریکی برابر است با کار مکانیکی VAB، لازم برای جابجا کردن بار آزمودن مثبت q0 از A تا B تقسیم بر مقدار بار الکتریکی آزمون (q0) می‌باشد. نقطه A را به عنوان مرجع استاندارد انتخاب می‌کنیم، این نقطه معمولا در بی‌نهایت دور یا روی زمین انتخاب می‌شود که در آنجا پتانسیل الکتریکی صفر است. بنابراین ، پتانسیل الکترکی (V(p در نقطه (P(X,Y,S را می‌توان چنین تعریف کرد:

V(P) = U(P)/q0

که در آن (V(P کار لازم برای انتقال دادن بار آزمون q0 از نقطه مرجع به نقطه (P(X,Y,S است. این کار برابر است با منفی کاری که میدان الکتریکی روی بار آزمون انجام می‌دهد.

پتانسیل الکتریکی

انرژی لازم (یا کار لازم) برای انتقال واحد بار الکتریکی از بی‌نهایت به جسم یا نقطه مورد نظر ، واحد پتانسیل الکتریکی در دستگاه SI ولت است و نیز اختلاف پتانسیل الکتریکی دو نقطه از مدار الکتریکی وقتی از پتانسیل بیشتر به سمت پتانسیل کم بودیم. میدان الکتریکی را به دو راه می‌توان تعریف کرد: از راه بردار میدان الکتریکی Ē و از راه کمیت نرده‌ای پتانیسل الکتریکی (V(p (پتانسیل نقطه p) و هرگاه کار لازم برای بردن یک کولن بار الکتریکی از نقطه‌ای به نقطه‌ای دیگر برابر 1J باشد. اختلاف پتانسیل میان دو نقطه برابر 1V خواهد بود.

ماهیت پتانسیل الکتریکی

همانطور که جسم به هنگام حرکت در خلاف جهت نیروی گرانشی انرژِی پتانسیل کسب می‌کند. ذره باردار هم هنگام حرکت در خلاف جهت نیروی حاصل از میدان الکتریکی دارای انرژِی پتانسیل می‌شود. چون نیروی الکتریکی بر خلاف نیروی گرانشی ، می‌تواند هم به صورت جاذبه و هم به صورت دافعه باشد. جهت افزایش پتانسیل به علامت بار الکتریکی ذره و نیز به جهت میدان الکتریکی بستگی دارد. جهت میدان الکتریکی از طرف ذره با بار مثبت به طرف ذره با بار منفی (یا به طرف بی‌نهایت) است. برای جابجا کردن ذره با بار منفی در جهت میدان الکتریکی باید کار انجام گیرد. زیرا این ذره به طرف چشمه مولد میدان الکتریکی جذب می‌شود و این درست مانند جسمی است که از حال سکون رها می‌شود و بر اثر گرانی به طرف زمین کشیده می‌شود.

برای به حرکت در آوردن ذره‌ای با بار مثبت در خلاف جهت میدان الکتریکی (نیز به طرف چشمه مثبت) نیز باید کار انجام داد. ذره مثبت خود به خود در جهت میدان الکتریکی حرکت می‌کند، در نتیجه انرژی پتانسیل آن به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. در این حالت میدان الکتریکی روی ذره کار مثبت انجام می‌دهد). چون کمیت میدان الکتریکی با استفاده از آثارش روی ذره مثبت تعریف می‌شود، پتانسیل الکتریکی در جهت میدان الکتریی کاهش می‌یابد.

کاربرد پتانسیل الکتریکی در میدان الکتریکی

چون در حالتی که نیرو و جابجایی هم جهت هستند کار برابر با حاصل ضرب نیرو در جابجایی است. به کار انجام شده روی واحد بار الکتریکی وقتی که بر مسافت پیموده شده تقسیم می‌شود، حاصل آن با نیروی وارد شده بر واحد الکتریکی برابر می‌شود. پتانسیل الکتریکی به تغییر انرژی هر واحد بار است و برابر می‌شود با کار روی واحد بار با علامت منفی ، چون بنا به تعریف &&20:شدت میدان الکتریی برابر با نیروی وارد شده بر واحد بار است&&. نسبت تغییر پتانسیل الکتریکی به مسافت پیموده شده برابر می‌شود با V/∆d∆- که با میدان الکتریکی E برابر است. کاسته شدن پتانسیل در جهت میدان الکتریکی ، استفاده از علامت منفی را الزامی می‌کند.

این رابطه دقیق فقط برای میدانهای الکتریی ثابت صادق است. هنگامی که میدان الکتریکی به فاصله بستگی داشته باشد. حد تغییرات در فاصله‌های بسیار کوچک را باید در نظر گرفت. در نتیجه ، برای محاسبه میدان الکتریکی بر حسب پتانسیل باید از مشتق جزئی به صورت زیر استفاده کرد:

Ex = -5V(P)/5X

Ey = -5V(p)/5y

Ez = -5V(p)/5s

بطور کلی ، چون پتانسیل کمیتی نرده‌ای است، بهتر است ابتدا پتانسیل الکتریکی را پیدا کنیم و آنگاه میدان الکتریکی را از پتانسیل بدست آوردیم. چون پتانسیل الکتریکی بردار نیست، نسبت به بردار میدان الکتریکی E اطلاعات کمتر دارد.

اختلاف پتانسیل

در علوم فیزیکی اختلاف پتانسیل اختلاف در پتانسیل بین دو نقطه در یک میدان برداری پایدار است. در مهندسی، این کمیت گاهاً به عنوان متغیرهای عرضی در برابر کمیت هایی مانند شار که متغیر عبوریاست، توصیف می شود.

تولید

نتیجه ی شار و اختلاف پتانسیل توان است که نرخ تغییرات کمیت پایدار انرژی است. در مایعات، اختلاف پتانسیل اختلاف در فشار است. در سیستم های دمایی اختلاف پتانسیل اختلاف در دما است. در مکانیک، اختلاف پتانسیل، اختلاف در پتانسیل گرانشی بین دو نقطه است. در مهندسی برق، اختلاف پتانسیل ولتاژ است، یعنی اختلاف بین نقاط ابتدایی و انتهایی یک پتانسیل الکترواستاتیک.

تعاریف الکتریکی

یک اختلاف پتانسیل بین دو نقطه منجر به ایجاد یک نیرو می شود که یک نیروی الکتروموتیو یا emf خوانده می شود. این نیرو مایل است تا الکترون ها یا دیگر بارهای حامل را از یک نقطه به نقطه دیگر انتقال دهد. اگر یک هادی الکتریکی در یک میدان مغناطیسی به صورت عمود بر میدان حرکت کند، بین دو سرش یک اختلاف پتانسیل ایجاد می شود.

اختلاف پتانسیل بین دو نقطه یک مدار الکتریکی برابر اختلاف در پتانسیل های الکتریکی آن دو نقطه تعریف می شود.

اختلاف پتانسیل به صورت مقدارکار انجام شده برای انتقال واحد بار الکتریکی از نقطه دوم به نقطه اول یا به طور برابر، مقدار کاری که واحد بار می تواند در انتقال از نقطه اول به نقطه دوم انجام دهد، است. در سیستم واحد های ««SI، اختلاف پتانسیل، پتانسیل الکتریکی و نیروی الکتروموتیو توسط ««ولت که نشان دهنده واژه معروف ولتاژ و نماد V است، اندازه گیری می شود.

یک ولت که پس از الساندور ولتا نامگذاری شد، به صورت یک ژول از انرژی برای انجام کار روی یک کلمب از بار تعریف شده است.

اختلاف پتانسیل بین دو نقطه a و b انتگرال خط میدان الکتریکی "E" است:

Va اگر یک مدار الکتریکی را به یک چرخه آب در یک شبکه لوله ها که در غیاب جاذبه زمین توسط پمپ ها به گردش در می آید، تشبیه کنیم، آنگاه اختلاف پتانسیل معادل فشار بین دو نقطه است. اگر اختلاف پتانسیلی بین دو نقطه وجود داشته باشد، آنگاه جریان آب از نقطه اول به نقطه دوم قادر به انجام کار خواهد بود، همانند راه اندازی یک توربین.

ولتاژ دارای خاصیت جمع پذیری است، یعنی ولتاژ بین A و C برابر ولتاژ بین A و B به علاوه ولتاژ بین B و C است.

دو نقطه در یک مدار الکتریکی که توسط یک هادی (ایده آل) بدون مقاومت به هم متصل شده اند، دارای اختلاف پتانسیل صفر خواهند بود. اما با این وجود بین دیگر نقاط هم ممکن است که اختلاف پتانسیل صفر وجود داشته باشد. اگر چنین نقاطی را توسط یک هادی به هم متصل کنیم جریانی عبور نخواهد کرد. ولتاژهای مختلف در یک مدار را می توانیم توسط قانون مداری کیرشهف محاسبه کنیم.

تجهیزات

منابع عمومی تولید emf باتری«الکتریسته»/باتری، ژنراتور الکتریکی و خازن ها هستند.

تجهیزات اندازه گیری اختلاف پتانسیل شامل ولتمتر، پتانسیومتر (تجهیزات اندازه گیری) و اسیلوسکوپ هستند.

ولتمتر توسط اندازه گیری جریان عبوری از یک مقاومت ثابت که بر طبق قانون اهم متناسب با اختلاف پتانسیل دو سر این مقاومت است، کار می کند.

پتانسیومتر توسط مقایسه ولتاژ مجهول با یک ولتاژ معلوم در یک پل مداری کار می کند.

اسیلوسکوپ اشعه کاتدی توسط تقویت اختلاف پتانسیل و بکار بردنش برای منحرف کردن یک شعاع الکترون از یک مسیر مستقیم کار می کند، در این صورت انحراف اشعه متناسب با اختلاف پتانسیل خواهد بود.

تاریخچه

در تاریخ 1800 م در پی یک اختلاف حرفه ای بر سر واکنش گالوانیکی که از سوی لوییجی گالوانی حمایت می شد، الساندور ولتا پیل ولتایی خود را که مقدمه ابداع باتری بود، اختراع کرد که این پیل جریان الکتریکی پایداری را ایجاد می کرد. ولتا کشف کرده بود که موثرترین جفت فلز متفاوتی که جریان الکتریسته ایجاد می کنند، روی و نقره اند.

در دهه 1800 م کنگره بین المللی الکتریکی که الان به نام کمیسیون بین المللی الکترونیکی (IEC) معروف است، ولت را برای نیروی الکتروموتیو تصویب کرد. ولت به صورت اختلاف پتانسیل یک هادی وقتی که یک جریان یک آمپر توان یک وات را ایجاد می کند، تعریف شد.

اختلاف پتانسیل

در یک جسم رسانا میدان الکتریکى درون جسم صفر است، و در نقاط نوک تیز چگالى سطحى بار و میدان الکتریکى بزرگ تر است، اما پتانسیل الکتریکى در تمام نقاط آن برابر است،

پتانسیل الکتریکى: در هر نقطه انرژى الکتریکى واحد بار الکتریکى، پتانسیل الکتریکى در آن نقطه مى‌باشد.

U انرژى پتانسیل الکتریکى ( j )

q بار الکتریکى ( c )

V پتانسیل الکتریکى ( ولت V )

تغییر انرژى پتانسیل الکتریکى : تغییر انرژى پتانسیل الکتریکى برابر است با کارى که ما انجام می‌دهیم تا بار الکتریکى با سرعت ثابت از نقطه (1) به نقطه (2) آورده شود (کارما) کار میدان الکتریکى، منفى کارما می‌باشد.

نکته مهم: انرژى پتانسیل الکتریکی بار مثبت در جهت میدان کاهش و در جهت خلاف میدان افزایش می‌یابد و انرژی پتانسیل الکتریکی بار منفی در جهت میدان الکتریکی افزایش و در جهت خلاف میدان الکتریکی کاهش می‌یابد .

اختلاف پتانسیل الکتریکی: تغییر انرژی الکتریکی واحد بار را در یک جابجایی اختلاف پتانسیل الکتریکی می‌نامند.

نکته :

پتانسیل الکتریکی در جهت میدان الکتریکی کاهش و در جهت خلاف میدان الکتریکی افزایش می‌یابد .

در راستای عمود بر میدان الکتریکی یکنواخت کار ما برای جابجایی بار q صفر است (زیرا نیرو بر جابجایی عمود است )

یعنی در راستای عمود بر میدان الکتریکی یکنواخت ، پتانسیل الکتریکی برابر می‌باشد.یعنی در راستای عمود بر میدان الکتریکی یکنواخت ، پتانسیل الکتریکی برابر می‌باشد.پتانسیل الکتریکی در جهت میدان کاهش می‌یابد و در راستای عمود بر میدان الکتریکی یکنواخت پتانسیل الکتریکی یکسان است

اختلاف پتانسیل الکتریکی در راستای میدان الکتریکی یکنوا‌خت

E میدان الکتریکی یکنواخت

d فاصله دو نقطه در راستای میدان الکتریکی یکنواخت ( m )

V اختلاف پتانسیل در نقطه در راستای میدان الکتریکی یکنواخت ( V )

نکته :

شکل بالا میدان یکنواخت است، در این میدان در تمام نقاط میدان الکتریکی ثابت است، بنابراین نیروی وارد بر بار الکتریکی در تمام نقاط برابر می‌باشد. جهت آن برای بار مثبت در جهت میدان الکتریکی و برای بار منفی در جهت مخالف میدان الکتریکی می‌باشد .