Что такое потенциал в физике

ПОТЕНЦИАЛ

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

(потенциальная функция) (от лат. рo-tentia – сила) – характеристика векторных полей, к к-рым относятся многие силовые поля (эл.-магн. гравитационное), а также поле скоростей в жидкости и др. Если П. векторного поля есть скалярная ф-ция то поле X наз. потенциальным (иногда П. наз. ф-цию ). П.определён с точностью до пост. величины. Для потенц. поля справедливо условие = 0, и обратно, если для нек-рого поля всюду = 0, то поле – потенциально, для него существует П.

Если векторное поле соленоидально, т. е.= О, то для этого поля можно ввести векторный потенциал такой, что =при этомопределён с точностью до градиента произвольной ф-ции ( градиентная инвариантность). В общем случае любое векторное поле представляется суммой потенциального и соле-ноидального полей.

В классич. и квантовой физике измеряемыми на опыте являются силовые характеристики полей – их напряжённости. На первый взгляд представляется, что сами по себе потенциалы полей не несут физ. смысл, а их введение в теорию – не более чем удобный техн. приём. Оказывается, однако, что в квантовой механике возникают эффекты ( квантование магнитного потока, АароноваБома эффект, Джозефсона эффект, эффект Казимира), в к-рых физ. природа П. проявляется непосредственно. Все эти эффекты имеют наглядную геом. интерпретацию. Векторный потенциал представляет собой связность в расслоении, базой к-ро-го служит соответствующее пространство (напр., пространство Минковского M 4 ). В квантовой теории поля осн. объект исследования – квантовые поля – являются аналогами классич. П., т. к. набор потенциальных ф-ций – мин. набор независимых динамич. переменных, полностью описывающий систему. Напр., в квантовой электродинамике такими переменными будут квантовые поля (потенциалы) где 4-компо-нентный вектор задаётся потенциалами и

Лит.: Тамм И. П., Основы теории электричества, 10 изд., М., 1989; Ландау Л. Д., Лифшиц E. М., Теория поля, 7 изд., М., 1988; Славное А. А., Фаддеев Л. Д., Введение в квантовую теорию калибровочных полей, 2 изд., М., 1988. Л. О. Чехов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

  • ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ
  • ПОТЕНЦИАЛ ЗАЖИГАНИЯ

Смотреть что такое “ПОТЕНЦИАЛ” в других словарях:

ПОТЕНЦИАЛ — ПОТЕНЦИАЛ. Количество любого вида энергии может быть выражено произведением двух различных величин, из к рых одна характеризует «уровень энергии», определяет направле ние, в к ром должен совершаться ее переход; так напр. тяжелое тело… … Большая медицинская энциклопедия

потенциал — ресурсы, заряд, резерв, запас, (внутренние, жизненные) резервы, возможности, биопотенциал Словарь русских синонимов. потенциал см. возможности Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык … Словарь синонимов

потенциал — а, м. potentiel m. , нем. Potential <лат. potentia сила, мощность. 1. Величина, характеризующая запас энергии тела, находящегося в данной точке поля (электрического, магнитного). Потенциал водорода. Потенциал магнитный. Разница потенциалов.… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

ПОТЕНЦИАЛ — (физ.) в учении об электричестве так называется величина электрического состояния на поверхности проводника, имеющая большое сходство с тем, что в учении о теплоте называется температурою, и измеряющая напряжение электрич. на проводниках. Словарь … Словарь иностранных слов русского языка

потенциал — электрический потенциал данной точки Разность электрических потенциалов данной точки и другой определенной, произвольно выбранной точки. [ГОСТ Р 52002 2003] потенциал Общий термин, означающий предельную возможность или способность какой то… … Справочник технического переводчика

ПОТЕНЦИАЛ — ПОТЕНЦИАЛ, потенциала, муж. (от лат. potentia сила, возможность). 1. Физическое понятие, характеризующее величину потенциальной энергии в определенной точке пространства (физ., тех.). Потенциал силы притяжения. Разность потенциалов. 2. перен.… … Толковый словарь Ушакова

ПОТЕНЦИАЛ — (от латинского potentia сила), источники, возможности, средства, запасы, которые могут быть использованы для решения какой либо задачи, достижения определенной цели; возможности отдельного лица, общества, государства в определенной области… … Современная энциклопедия

ПОТЕНЦИАЛ — (потенциальная функция) понятие, характеризующее широкий класс физических силовых полей (электрических, гравитационных и т. п.) и вообще поля физических величин, представляемых векторами (поле скоростей жидкости и т. п.). В общем случае потенциал … Большой Энциклопедический словарь

ПОТЕНЦИАЛ — (от лат. potentia сила) источники, возможности, средства, запасы, которые могут быть использованы для решения какой либо задачи, достижения определенной цели; возможности отдельного лица, общества, государства в определенной области (напр.,… … Большой Энциклопедический словарь

потенциал — 1. В физике величина, характеризующая в данной точке силовое поле электрическое, магнитное, гравитационное и пр. Соответственно различаются потенциал электрический, магнитный и пр. 2. Совокупность наличных средств, возможностей в некоей области,… … Большая психологическая энциклопедия

Учебники

Разделы физики

Журнал “Квант”

Лауреаты премий по физике

Общие

Т. Потенциал

Потенциал

Из механики известно, что работа консервативных сил связана с изменением потенциальной энергии. Система “заряд — электростатическое поле” обладает потенциальной энергией (энергией электростатического взаимодействия). Поэтому, если не учитывать взаимодействие заряда с гравитационным полем и окружающей средой, то работа, совершаемая при перемещении заряда в электростатическом поле, равна изменению потенциальной энергии заряда, взятому с противоположным знаком:

Если Wp2 = 0, то в каждой точке электростатического поля потенциальная энергия заряда q0 равна работе, которая была бы совершена при перемещении заряда q0 из данной точки в точку с нулевой энергией.

Пусть электростатическое поле создано в некоторой области пространства положительным зарядом q (рис. 2).

Будем помещать в точку Μ этого поля различные пробные положительные заряды q0. Потенциальная энергия их различна, но отношение (

frac = operatorname) для данной точки поля и служит характеристикой поля, называемой потенциалом поля φ в данной точке:

Единицей потенциала в СИ является вольт (В) или джоуль на кулон (Дж/Кл).

Потенциалом электростатического поля в данной точке называют скалярную физическую величину, характеризующую энергетическое состояние поля в данной точке пространства и численно равную отношению потенциальной энергии, которой обладает пробный положительный заряд, помещенный в эту точку, к значению заряда.

Потенциал — это энергетическая характеристика поля в отличие от напряженности поля, являющейся силовой характеристикой поля.

Необходимо отметить, что потенциальная энергия заряда в данной точке поля, а значит, и потенциал зависят от выбора нулевой точки. Нулевой эта точка называется потому, что потенциальную энергию (соответственно потенциал) заряда, помещенного в эту точку поля, уславливаются считать равной нулю.

Нулевой уровень потенциальной энергии выбирается произвольно, поэтому потенциал можно определить только с точностью до некоторой постоянной, значение которой зависит от того, в какой точке пространства выбрано его нулевое значение.

В технике принято считать нулевой точкой любую заземленную точку, т.е. соединенную проводником с землей. В физике за начало отсчета потенциальной энергии (и потенциала) принимается любая точка, бесконечно удаленная от зарядов, создающих поле. Если нулевая точка выбрана, то потенциальная энергия (соответственно и потенциал в данной точке) заряда q0 становится определенной величиной.

На расстоянии r от точечного заряда q, создающего поле, потенциал определяется формулой

При указанном выше выборе нулевой точки потенциал в любой точке поля, создаваемого положительным зарядом q, положителен, а поля, создаваемого отрицательным зарядом, отрицателен:

если q > 0, то φ > 0; если q

По этой формуле можно рассчитывать потенциал поля, образованного равномерно заряженной проводящей сферой радиусом R в точках, находящихся на поверхности сферы и вне ее. Внутри сферы потенциал такой же, как и на поверхности, т.е.

Если электростатическое поле создается системой зарядов, то имеет место принцип суперпозиции: потенциал в любой точке такого поля равен алгебраической сумме потенциалов, создаваемых в этой точке каждым зарядом в отдельности:

varphi_p = sum_^n varphi_i .)

Зная потенциал φ поля в данной точке, можно рассчитать потенциальную энергию заряда q0 помещенного в эту точку: Wp1 = q0φ. Если положить, что Wp2 = 0, то из уравнения (1) будем иметь

Потенциальная энергия заряда q0 в данной точке поля будет равна работе сил электростатического поля по перемещению заряда q0 из данной точки в нулевую. Из последней формулы имеем

Потенциал поля в данной точке численно равен работе по перемещению единичного положительного заряда из данной точки в нулевую (в бесконечность).

Потенциальная энергия заряда q0 помещенного в электростатическое поле точечного заряда q на расстоянии r от него,

Если q и q0 — одноименные заряды, то Wp > 0, если q и q0 — разные по знаку заряды, то Wp (

W = frac 12 sum_^n q_i varphi_i ,)

где φi — потенциал поля, созданного всеми зарядами, кроме заряда qi, в той точке поля, где находится заряд qi.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 229-231.

Что такое потенциал в электричестве

В физике часто используется понятие потенциалов. Каждый, кто работает с электроникой или домашними электрическими сетями, должен представлять себе, потенциал что такое, как проводится его измерение, и какое влияние он оказывает на окружающие тела.

Понятие потенциала в физике

Что такое потенциал в физике? Это понятие очень часто применяется для описания качеств сил и полей самой разной природы. Скалярная функция, характеризующая некоторую величину, представляющуюся вектором, – вот что это потенциал. Гравитационный потенциал описывает соответствующее поле. В термодинамике это понятие применяется для системной внутренней энергии, в механике – для той или иной приложенной к предмету силы.

Электрика, прежде всего, интересует, что такое потенциал в электричестве. Из общего определения нетрудно вывести, что характеристика электрополя – это электрический потенциал. В своей статической форме электрический потенциал показывает потенциальную энергию одиночного «плюсового» заряда, помещаемого в данное место электрополя, и является одной из разновидностей электромагнитного потенциала. Вторая его форма – векторная (в отличие от скалярной), описывает магнитное поле.

Важно! Характеристика поля, описывающая зависимость работы при передвижении исключительно от исходной точки и места назначения, – это потенциальность поля. Траектория перемещения в этом случае на работу не влияет.

Разность потенциалов (напряжение)

Напряжение является одним из важнейших терминов в электрике, оно описывается как работа, совершаемая электрополем с целью перемещения некоторого заряда из одной точки в другую. По аналогии с гравитацией, заряд при помещении в зону действия поля обладает потенциалом, который можно сравнить с соответствующим видом энергии у тела. Величина электрического потенциала прямо пропорциональна степени полевой напряженности и величине самого заряда.

Встает вопрос: потенциал в чем измеряется? Правильнее будет сказать, в чем обычно измеряется разность потенциалов, так как работники электротехники имеют дело именно с этой величиной в форме напряжения. Для самого потенциала специальной измерительной единицы не существует. В СИ принято измерять разность в вольтах (В). Она равна одному вольту в том случае, если для транспортировки заряда в один кулон из одной точки электрополя в другую потребуется совершить работу в один джоуль.

Важно! Измерить напряжение можно с помощью специального устройства – вольтметра. Стрелочная разновидность прибора, использующаяся на школьных уроках физики, оснащена градуированной шкалой, базирующейся на угле отклонения проволочной рамки, по которой проходит электроток. Помимо него, существуют и приборы с цифровым дисплеем, а также мультиметры, способные работать в нескольких режимах и измеряющие разные величины, описывающие электроцепь. Для измерения важно правильно подключить щупы.

Примеры формул для вычисления напряжения

Измерить напряжение можно, воспользовавшись такой формулой:

U=A/q (U, A и q – величина напряжения, переносящая работа электрополя и заряд, соответственно).

Выразив работу (A=q*U), можно понять, что, чем больше напряженность, тем большую работу потребуется совершить электрополю, чтобы перенести Q. Такие преобразования помогают усвоить, почему важно, чтобы источник питания был мощным. Чем больше потенциальная разница между его клеммами, тем больший объем работы он способен обеспечивать.

Чтобы определить напряжение на участке электрической цепи, используется следующее выражение:

Здесь I – сила протекающего по проводнику электротока, R – сопротивление фрагмента цепи. Для последовательно и параллельно соединенных проводниковых элементов также существуют свои законы, согласно которым рассчитываются напряжение, токовая сила и сопротивление для каждой из веток.

Для чего нужен потенциометр электрику

Данный прибор широко применяется в практике для модуляции напряжения. Дело в том, что у многих источников (особенно заточенных под автономное функционирование: аккумуляторные элементы, солнечные батареи и т.д.) константное напряжение, не поддающееся управлению без специальных устройств, что может вызвать проблемы. Чтобы уменьшить исходное напряжение такого элемента, используют устройства-делители, снабженные потенциометрами.

Как работает потенциометр? Он представляет собой резистор, имеющий пару выводов и подвижный ползунок с еще одним выводом. Подключаться такое переменное устройство сопротивления может двумя способами:

  1. По типу реостата, с использованием ползункового вывода и одного из пары других. Сопротивление замеряется движением ползунка по корпусу резистора. Регуляция цепного электротока в таком случае возможна при последовательном подключении такого реостата и источника напряжения.
  2. Потенциометрическим методом, задействующим каждый вывод из имеющейся у прибора тройки. Два главных вывода включаются параллельно источнику, снятие сниженного напряжения реализуется с ползункового механизма и одного вывода. В этом случае через резисторное устройство течет электроток, создающий спад напряжения между ползунком и боковыми выводами. В такой модели на источник питания ложится большая нагрузка, так как для точности регуляции и отсутствия сбоев необходимо, чтобы резисторное сопротивление в несколько раз уступало нагрузочному.

Таким образом, понятие потенциала используется в разных областях физики: как в механике, так и в изучении электричества. В последнем случае оно выступает в качестве характеристики поля. Непосредственно рассматриваемая величина измерению не поддается, зато можно измерить разность, тогда один заряд берется за точку отсчета.

Видео

Потенциал

Из механики известно, что работа консервативных сил связана с изменением потенциальной энергии. Система “заряд — электростатическое поле” обладает потенциальной энергией (энергией электростатического взаимодействия). Поэтому, если не учитывать взаимодействие заряда с гравитационным полем и окружающей средой, то работа, совершаемая при перемещении заряда в электростатическом поле, равна изменению потенциальной энергии заряда, взятому с противоположным знаком:

Если Wp2 = 0, то в каждой точке электростатического поля потенциальная энергия заряда q0 равна работе, которая была бы совершена при перемещении заряда q0 из данной точки в точку с нулевой энергией.

Пусть электростатическое поле создано в некоторой области пространства положительным зарядом q (рис. 1).

Будем помещать в точку М этого поля различные пробные положительные заряды q0. Потенциальная энергия их различна, но отношение для данной точки поля и служит характеристикой поля, называемой потенциалом поля в данной точке:

Единицей потенциала в СИ является вольт (В) или джоуль на кулон (Дж/Кл).

Потенциалом электростатического поля в данной точке называют скалярную физическую величину, характеризующую энергетическое состояние поля в данной точке пространства и численно равную отношению потенциальной энергии, которой обладает пробный положительный заряд, помещенный в эту точку, к значению заряда.

Потенциал — это энергетическая характеристика поля в отличие от напряженности поля, являющейся силовой характеристикой поля.

Необходимо отметить, что потенциальная энергия заряда в данной точке поля, а значит, и потенциал зависят от выбора нулевой точки. Нулевой эта точка называется потому, что потенциальную энергию (соответственно потенциал) заряда, помещенного в эту точку поля, уславливаются считать равной нулю.

Нулевой уровень потенциальной энергии выбирается произвольно, поэтому потенциал можно определить только с точностью до некоторой постоянной, значение которой зависит от того, в какой точке пространства выбрано его нулевое значение.

В технике принято считать нулевой точкой любую заземленную точку, т.е. соединенную проводником с землей. В физике за начало отсчета потенциальной энергии (и потенциала) принимается любая точка, бесконечно удаленная от зарядов, создающих поле. Если нулевая точка выбрана, то потенциальная энергия (соответственно и потенциал в данной точке) заряда q0 становится определенной величиной.

На расстоянии r от точечного заряда q, создающего поле, потенциал определяется формулой

При указанном выше выборе нулевой точки потенциал в любой точке поля, создаваемого положительным зарядом q, положителен, а поля, создаваемого отрицательным зарядом, отрицателен:

По этой формуле можно рассчитывать потенциал поля, образованного равномерно заряженной проводящей сферой радиусом R в точках, находящихся на поверхности сферы и вне ее. Внутри сферы потенциал такой же, как и на поверхности, т.е.

Если электростатическое поле создается системой зарядов, то имеет место принцип суперпозиции: потенциал в любой точке такого поля равен алгебраической сумме потенциалов, создаваемых в этой точке каждым зарядом в отдельности:

Зная потенциал поля в данной точке, можно рассчитать потенциальную энергию заряда q0 помещенного в эту точку: Wp1 = q0. Если положить, что Wp2 = 0, то из уравнения (1) будем иметь

Потенциальная энергия заряда q0 в данной точке поля будет равна работе сил электростатического поля по перемещению заряда q0 из данной точки в нулевую. Из последней формулы имеем

Потенциал поля в данной точке численно равен работе по перемещению единичного положительного заряда из данной точки в нулевую (в бесконечность).

Потенциальная энергия заряда q0 помещенного в электростатическое поле точечного заряда q на расстоянии r от него,

Если q и q0 — одноименные заряды, то , если q и q0 — разные по знаку заряды, то .

Отметим еще раз, что по этой формуле можно рассчитать потенциальную энергию взаимодействия двух точечных зарядов, если за нулевое значение Wp выбрано ее значение при r = бесконечности.

Если электростатическое поле образовано системой n точечных электрических зарядов, то потенциальная энергия системы определяется по формуле

где — потенциал поля, созданного всеми зарядами, кроме заряда qi, в той точке поля, где находится заряд qi.

Потенциал электростатического поля и разность потенциалов

В механике взаимное действие тел друг на друга характеризуют силой или потенциальной энергией. Электростатическое поле, осуществляющее взаимодействие между за­рядами, также характеризую двумя величинами, Напряженность поля — это силовая характеристика. Теперь введем энергетическую характерис­тику — потенциал.

Потенциал поля. Работа любого электростатического поля при перемещении в нем заряженного тела из одной точки в другую также не за­висит от формы траектории, как и работа однородного поля. На замкну­той траектории работа электростати­ческого поля всегда равна нулю. Поля, обладающие таким свойством, называют потенциальными. Потен­циальный характер, в частности, имеет электростатическое поле точечного заряда.

Работу потенциального поля можно выразить через изменение потенциальной энергии. Формула А= — (WP1 — WP2) справедлива для любого электростатического поля. И только в случае однородного по­ля потенциальная энергия выражает­ся формулой Wp=qEd.

Потенциал

Потенциальная энер­гия заряда в электростатическом по­ле пропорциональна заряду. Это справедливо как для однородного поля, так и для любого другого. Следовательно, от­ношение потенциальной энергии к за­ряду не зависит от помещенного в поле заряда.

Это позволяет ввести новую ко­личественную характеристику по­ля — потенциал, не зависящую от заряда, помещенного в поле.

Потенциалом электростатическо­го поля называют отношение потен­циальной энергии заряда в поле к этому заряду.

Согласно данному определению потенциал равен:

Напряженность поля является вектором и представляет собой си­ловую характеристику поля; она определяет силу, действующую на заряд q в данной точке поля. По­тенциал φ — скаляр, это энергетиче­ская характеристика поля; он опре­деляет потенциальную энергию за­ряда q в данной точке поля.

Если в качестве нулевого уровня потенциальной энергии, а значит, и потенциала принять отрицательно заряженную пластину, то согласно формулам Wp=qEd и (1) потенциал однородного поля равен:

Разность потенциалов

Подобно потенциальной энергии, значение по­тенциала в данной точке зависит от выбора нулевого уровня для отсчета потенциала. Практическое значение имеет не сам потенциал в точке, а изменение потенциала, которое не за­висит от выбора нулевого уровня отсчета потенциала.

Так как потенциальная энергия Wp = qφ, то работа равна:

разность потенциалов, т. е. разность значений потенциала в начальной и конечной точках траектории.

Разность потенциалов называют также напряжением.

Согласно формулам (2) и (3) разность потенциалов оказы­вается равной:

(4)

Разность потенциалов (напряже­ние) между двумя точками равна отношению работы поля при пе­ремещении заряда из начальной точки в конечную к этому за­ряду.

Зная напряжение в осветитель­ной сети, мы тем самым знаем ра­боту, которую электрическое поле может совершить при перемещении единичного заряда от одного кон­такта розетки к другому по любой электрической цепи. С понятием раз­ности потенциалов мы будем иметь дело на протяжении всего курса физики.

Единица разности потенциалов

Единицу разности потенциалов уста­навливают с помощью формулы (4). В Международной системе единиц работу выражают в джоулях, а заряд — в кулонах. Поэтому раз­ность потенциалов между двумя точками равна единице, если при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки в другую электрическое поле совершает работу в 1 Дж. Эту единицу называют вольтом (В); 1 В = 1 Дж/1 Кл.

Энергетическую характеристику электростатического поля называют потенциалом. Потенциал равен от­ношению потенциальной энергии за­ряда в поле к заряду. Разность потенциалов между двумя точками равна работе по перемещению еди­ничного заряда.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий