This content is Free Access.

English

פוטנציאל חשמלי

Overview

מקור: יונג פ. חן, PhD, המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה, המכללה למדע, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, IN

הפוטנציאל החשמלי, הידוע גם בשם "מתח", מודד את האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית לכל מטען ליחידה. שדה חשמלי הוא כמות סקלרית והוא בסיסי להשפעות חשמליות רבות. בדומה לאנרגיה פוטנציאלית, מה שמשמעותו הפיזית הוא ההבדל בפוטנציאל החשמלי. לדוגמה, השונות המרחבית בפוטנציאל החשמלי קשורה לשדה החשמלי, מה שמוליד את הכוח החשמלי בטעינה. ההבדל בפוטנציאל החשמלי בין שתי נקודות בנגד מניע את זרימת הזרם החשמלי.

ניסוי זה ישתמש הן במד וולט והן בצינור פלואורסצנטי כדי להדגים את הפוטנציאל החשמלי (ליתר דיוק, ההבדל הפוטנציאלי בין שתי נקודות בחלל) שנוצר על ידי כדור טעון. הניסוי מדגים את הרעיון של משטחים שוויוויפוטנציאליים, המאונכים לשדות החשמליים.

Principles

מטען נקודה Q הממוקם במקור (r = 0) מייצר פוטנציאל חשמלי:

Equation 1(משוואה 1)

בכל נקודה בחלל עם מרחק r מהמטען (במקור r = 0). משוואה 1 מתארת גם את הפוטנציאל החשמלי שמייצר כדור טעון אחיד (במרכז r = 0) עם טעינה כוללת Q בחלל שמחוץ לספירה (איור 1). בשני המקרים, נקודת ה"הפניה" (שבה הפוטנציאל הוא אפס) נמצאת במרחק אינסופי מהמטען. הפוטנציאל החשמלי משתנה לאורך הכיוון הרדיאלי, שהוא הכיוון של השדה החשמלי.

עבור שתי נקודות P1 ו- P2 עם מרחק r1 ו- r2 הרחק מהמקור (מרכז המטען), בהתאמה, ההבדל הפוטנציאלי בין שתי נקודות אלה הוא:

Equation 2(משוואה 2)

אם נקודה P2 נמצאת באינסופיות (→∞), פעולה זו מפחיתה את משוואה 2 למשוואה 1. לכן, יש הבדל פוטנציאלי בין שתי נקודות אם ורק אם שתי נקודות אלה יש מרחק שונה מן המקור (מרכז המטען). משטח כדורי שבמרכזו המקור הוא "משטח שווי שוויון" במקרה זה. הערה במקרה זה, השדה החשמלי (לאורך הכיוון הרדיאלי) הוא מאונך למשטח השווי כוח (כדור). זה מתברר להיות נכון בדרך כלל: פני השטח השוויפת הוא מאונך לכיוון השדה החשמלי.

Figure 1

איור 1: תרשים המציג כדור טעון המחובר לגנרטור חשמלי. וולטמטר משמש למדידת הפוטנציאל החשמלי בנקודה "A" (עם מרחק r ממרכז הספירה).

Procedure

1. פוטנציאל חשמלי בשל כדור טעון

  1. להשיג גנרטור ואן דר גראף, אשר יכול לשים מטען על כדור מתכת. מרכז הספירה מוגדר כמקור לניסוי זה.
  2. תשיג מד-ים. התחבר (באמצעות כבלי ניצוח) מסוף "−" שלו לקרקע או למסוף התייחסות על מחולל ואן דר גראף, או לקרקע חשמלית (כגון צינור ניצוח גדול) רחוק (לפחות כמה מטרים) מהגנרטור. חבר את מסוף ה-"+" שלו לכבל וולטמטר עם קצה גשושית מתח שניתן להזיז. החיבור הסכמטי מוצג באיור 1.
  3. סובב את הארכובה של הגנרטור על ידי לפחות 10 פניות כדי לטעון את הכדור.
  4. כאשר מד הוולט מופעל, מקם את קצה גשושית המתח (המחובר למסוף "+" של הוולטמטר) במרחק של כ-0.5 מטרים מהמקור. השתמש בסרגל כדי למדוד או לסמן את המרחק מראש, אם תרצה. הקלט את קריאת המתח על מד הים. הזז את הקצה מסביב אך שמור על המרחק מהמקור. שימו לב לקריאת מד הוולטמטר.
  5. חזור על השלב לעיל עם קצה בדיקת המתח להציב על 1 מ 'ו 1.5 מ ', בהתאמה.
  6. להשיג צינור פלואורסצנטי (ידני). הביאו את הצינור ל-0.5 מ' ממרכז הספירה הטעון (איור 2a). ראשית, כוון את הצינור כך שהוא יהיה לאורך הכיוון הרדיאלי הרחק מהספירה. שימו לב לצינור (כבו את האורות כדי להקל על התצפית בחושך יחסי). לאחר מכן סובבו את הצינור ב-90 מעלות כך שהוא יהיה מאונך לכיוון הרדיאלי (איור 2b). שים לב לצינור שוב.

Figure 3
איור 2: תרשים המציג כדור טעון המחובר לגנרטור חשמלי. צינור פלואורסצנטי משמש כדי לציין את ההבדל הפוטנציאלי בין שני הקצוות של הצינור. במקרה של ( א) הצינור מכוון לאורך הכיוון הרדיאלי; ו- ( ב) הצינור מכוון בניצב לכיוון הרדיאלי.

Results

בשלבים 1.4-1.5, ניתן לראות את הוולטמטר כדי לתת קריאות דומות אם קצה הגשושית נשמר במרחקים דומים מהמקור (כלומר, על משטח שווי שוויוני). עם זאת, המתח יורד אם הגשוש מתרחק מהמקור. קריאת המתח במרחק של מטר ו-1.5 מטרים תהיה במרחק של כ-1/2 ו-1/3 מהקריאה במרחק של 0.5 מטרים משם, בהתאמה. אם המתח V נמדד לעומת המרחק ההופכי (1/r) משורטט, קו ישר תוצאות, כצפוי ממשוואה 1.

Application and Summary

פוטנציאל חשמלי (מתח) נמצא בכל מקום ואולי הכמות הנפוצה ביותר בחשמל. לעתים קרובות הרבה יותר נוח להשתמש בפוטנציאל חשמלי (שהוא סקלרי) מאשר שדה חשמלי (שהוא וקטור), למרות שהשניים יכולים להיות קשורים זה לזה. ההבדל הפוטנציאלי החשמלי משמש להנעה ולשליטה בתנועת המטען (האצה/האטה/הסטה של מטענים), למשל במסך טלוויזיה או במיקרוסקופ אלקטרונים. הבדל פוטנציאלי חשמלי (מה שאנו מכנים בדרך כלל מתח) הוא גם מה שמניע את זרימת הזרם במוליך. בכל פעם שמודדים מתח, מודדים את ההבדל הפוטנציאלי החשמלי בין שתי נקודות (שאחת מהן היא לפעמים נקודת התייחסות או קרקע המוגדרת כאפס פוטנציאל).

מחבר הניסוי מכיר בסיועו של גארי הדסון להכנת חומר וצ'ואנחסון לי על כך שהדגים את הצעדים בסרטון.

We use cookies to enhance your experience on our website.

By continuing to use our website or clicking “Continue”, you are agreeing to accept our cookies.

Learn More