В электротехнике и электроники используются разные термины. Со многими из них мы начинаем знакомиться еще в школе на уроках физики. Кому-то они пригодятся в жизни, а некоторые их просто забывают после завершения учебы. Те, кто в дальнейшем работает с электросетями и электроникой постоянно сталкиваются с таким понятием, как разность потенциалов. Об этом термине хочу рассказать в данном посте. Информация пригодится электрикам и электронщикам, особенно начинающим специалистам. Вы узнаете, что представляют собой электрические потенциалы и их разница. Еще расскажу о приборах, которые используют для измерения.
Понятие об электрических потенциалах и их разности
Потенциал представляет собой физический параметр электрополя. Он является фундаментальной характеристикой. Данная физическая скалярная величина позволяет узнать значение потенциальной электроэнергии (W), которую имеет единичный электрозаряд, находящийся в конкретной пространственной точке.
Потенциал в качестве понятия позволяет описать свойства не только электрополя, но и звукового, а также гравитационного поля.
Разность электропотенциалов – величина, которую используют во время конкретных вычислений. Ведь одна из характеристик потенциального поля представляет собой зависимость его значения от конкретной отсчетной точки, то есть от выбранных координат. При этом на разность электрических потенциалов не влияет данный фактор. В то же время дополнительно еще используется такое понятие, как напряжение электрического поля. Это то же самое, что и разность электропотенциалов.
Если присутствует электрополе (E), то оно начинает оказывать силовое воздействие на электрозаряды (q). Величина такой силы (F) определяется по формуле F=qE.
Благодаря большому количеству исследований в период с XVIII по XIX век было установлено, что потенциальная энергия (W) в неоднородных и однородных электрополях напрямую зависит от значения электрозаряда. Это позволило вывести новую характеристику. Ею стал электрический потенциал (φ).
Для измерения потенциальной энергии используются джоули, а для заряда – кулоны. В связи с этим размерностью электрического потенциала является Дж/Кл. Эту измерительную единицу стали называть Вольт точно так же, как и для электрического напряжения. Кстати, Алессандро Вольта был известным физиком из Италии. Он занимался изучением природы электроявлений.
Аналогично потенциальной энергии гравитационного поля значение электропотенциала в конкретной точке зависит от выбранного места. На самом деле интересует не абсолютная величина электрического потенциала, а то, как он изменяется. Ведь данный процесс уже не имеет зависимости от точки, от которой начинается отсчет нулевого уровня.
Для определения работы, осуществляемой при движении электрического заряда между двумя точками, используется специальная формула. Она четко описывает физику разности электрических потенциалов. Согласно ей для выполнения вычисления необходимо значение заряда умножить на разность электропотенциалов в первой и во второй точке.
В реальности часто используется не разность потенциалов электрического поля, а такой термин как напряжение. Оно в электрической сети представляет собой именно разность электропотенциалов на одном и другом конце электропроводника или даже отдельного участка электроцепи.
Хочу отметить, что для определения разности электропотенциалов необходимо из первоначальной величины вычесть конечное значение. Этой особенностью данное вычисление отличается от алгебраической разности. Ведь для ее определения нужно от конечного значения отнять начальную величину.
Когда электрический заряд во второй точке, куда он переместился, имеет большую величину по сравнению с начальным значением в первой точке, тогда получится отрицательная разность электрических потенциалов.
Приборы для измерения разности электрических потенциалов
Чтобы измерить разницу электропотенциалов или напряжения в электрических цепях применяют специальные приборы, которые называются вольтметрами. Делятся они на аналоговые и цифровые измерительные приборы. Первый вариант устройств оснащен стрелкой. Цифровые приборы имеют LED-индикацию.
В качестве основы построения цифрового или аналогового вольтметра использованы принципы электродинамики. В приборе имеется проволочная рамка. Она находится между магнитными полюсами. Именно по ней проходит электрический ток. Проволочная рамка обеспечивает создание электромагнитного поля, когда на нее действует электрическое напряжение, которое измеряется в конкретный момент времени.
Из-за воздействия напряжения происходит отклонение рамки на определенный угол. При этом шкала измерительного прибора размечена пропорционально угловому значению, на которое происходит отклонение проволочной рамки.
Вольтметр позволяет определить именно разность электропотенциалов, а не величину самого потенциала.
В этом видеоматериале подробно рассказывается, что такое потенциал и разность потенциалов электрического поля:
А это видео поможет освежить знания про работу электрического поля, потенциал и электрическое напряжение:
Коротко о главном
Электропотенциалы – физические параметры электрополя. Это скалярные величины, позволяющие определить значения потенциальной энергии отдельных зарядов, которые находятся в определенных пространственных точках. Разница двух потенциалов используется во время вычислений, потому что не зависит от конкретной отсчетной точки. На практике вместо данной величины используют такой термин как напряжение.
Электрический потенциал измеряется в Дж/Кл. Эта единица является Вольтом. Он же используется для измерения напряжения. Для определения разности физических величин применяют аналоговые и цифровые вольтметры, которые построены на принципах электродинамики.
Напишите в комментариях, как думаете – если заряженные частицы ускоряются, то происходит уменьшение или увеличение разницы между двумя потенциалами?
Вы правы, электрический заряд – это основная физическая величина, измеряемая в кулонах (Кл) и обозначающая количество электричества. В статье же речь идет не о самом заряде, а о разности потенциалов. То есть о том, как распределяется электрическая энергия в пространстве между зарядами. Потенциал – это мера потенциальной энергии, приходящейся на единичный заряд в данной точке поля. А разность потенциалов (напряжение) – это разница таких значений между двумя точками. Она показывает, какую работу совершает поле при перемещении заряда между этими точками.
Поэтому заряд и разность потенциалов – это связанные, но разные понятия. Заряд – причина, поле и потенциал – следствие. Без зарядов не было бы и электрического поля, но разность потенциалов – это уже характеристика именно взаимодействия в пространстве.
Ваш комментарий отлично дополняет статью, напоминая о фундаментальной природе электричества. Статья же фокусируется на прикладном аспекте – что происходит в поле, созданном зарядами, и как это измеряется в технике.