Fonte: Yong P. Chen, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN

Il potenziale elettrico, noto anche come "tensione", misura l'energia potenziale elettrica per unità di carica. Il campo elettrico è una quantità scalare ed è fondamentale per molti effetti elettrici. Come l'energia potenziale, ciò che è fisicamente significativo è la differenza nel potenziale elettrico. Ad esempio, la variazione spaziale del potenziale elettrico è correlata al campo elettrico, che dà origine alla forza elettrica su una carica. La differenza nel potenziale elettrico tra due punti in un resistore guida il flusso di corrente elettrica.

Questo esperimento utilizzerà sia un voltmetro che un tubo fluorescente per dimostrare il potenziale elettrico (più precisamente, la differenza di potenziale tra due punti nello spazio) generato da una sfera carica. L'esperimento dimostrerà il concetto di superfici equipotenziali, che sono perpendicolari ai campi elettrici.

Una carica puntica Q situata all'origine (r = 0) produce un potenziale elettrico:

(Equazione 1)

in qualsiasi punto dello spazio con una distanza r dalla carica (all'origine r = 0). L'equazione 1 descrive anche il potenziale elettrico prodotto da una sfera uniformemente carica (centrata a r = 0) con carica totale Q nello spazio esterno alla sfera (Figura 1). In entrambi i casi, il punto di "riferimento" (dove il potenziale è zero) si trova alla distanza infinita dalla carica. Il potenziale elettrico varia lungo la direzione radiale, che è la direzione del campo elettrico.

Per due punti P₁ e P₂ con distanza r₁ e r₂ di distanza dall'origine (centro della carica), rispettivamente, la differenza di potenziale tra questi due punti è:

(Equazione 2)

Se il punto P₂ è all'infinito (→∞), questo riduce l'equazione 2 all'equazione 1. Pertanto, c'è una differenza potenziale tra due punti se e solo se questi due punti hanno una distanza diversa dall'origine (centro della carica). Una superficie sferica centrata all'origine è una "superficie equipotenziale" in questo caso. Si noti in questo caso, il campo elettrico (lungo la direzione radiale) è perpendicolare alla superficie equipotenziale (sfera). Questo risulta essere generalmente vero: la superficie equipotenziale è perpendicolare alla direzione del campo elettrico.

Figura 1: Diagramma che mostra una sfera carica collegata a un generatore elettrico. Un voltmetro viene utilizzato per misurare il potenziale elettrico in un punto "A" (con distanza r dal centro della sfera).

1. Potenziale elettrico dovuto a una sfera carica

1. Ottenere un generatore van der Graff, che può mettere carica su una sfera metallica. Il centro della sfera è definito come l'origine di questo esperimento.
2. Ottenere un voltmetro. Collegare (utilizzando cavi conduttori) il suo terminale "−" al terminale di terra o di riferimento sul generatore van der Graff o a una terra elettrica (come un grande tubo conduttore) lontano (almeno diversi metri) dal generatore. Collegare il suo terminale "+" a un cavo voltmetro con una punta della sonda di tensione che può essere spostata. La connessione schematica è illustrata nella Figura 1.
3. Ruotare la manovella del generatore di almeno 10 giri per caricare la sfera.
4. Con il voltmetro acceso, posizionare la punta della sonda di tensione (collegata al terminale "+" del voltmetro) a circa 0,5 m di distanza dall'origine. Utilizzare un righello per misurare o contrassegnare la distanza in anticipo, se lo si desidera. Registrare la lettura della tensione sul voltmetro. Spostare la punta ma mantenere la distanza dall'origine. Osservare la lettura del voltmetro.
5. Ripetere il passaggio precedente con la punta della sonda di tensione posizionata rispettivamente a circa 1 m e 1,5 m.
6. Ottenere un tubo di fluorescenza (tenuto in mano). Portare il tubo a circa 0,5 m di distanza dal centro della sfera carica ( Figura 2a). Per prima cosa, orienta il tubo in modo che sia lungo la direzione radiale lontano dalla sfera. Osservare il tubo (spegnere le luci per facilitare l'osservazione nell'oscurità relativa). Quindi ruotare il tubo di 90 gradi in modo che sia perpendicolare alla direzione radiale ( Figura 2b). Osservare di nuovo il tubo.

Figura 2: Diagramma che mostra una sfera carica collegata a un generatore elettrico. Un tubo di fluorescenza viene utilizzato per indicare la differenza di potenziale tra le due estremità del tubo. Nel caso di (a) il tubo è orientato lungo la direzione radiale; e ( b) il tubo è orientato perpendicolarmente alla direzione radiale.

Nei passaggi 1.4-1.5, il voltmetro può essere osservato per dare letture simili se la punta della sonda è mantenuta a distanze simili dall'origine (cioè su una superficie equipotenziale). Tuttavia, la tensione diminuisce se la sonda si allontana dall'origine. La lettura della tensione a 1 m e 1,5 m di distanza sarà di circa 1/2 e 1/3 della lettura a 0,5 m di distanza, rispettivamente. Se la tensione V misurata rispetto alla distanza inversa (1/r) viene tracciata, si ha una linea retta, come previsto dall'equazione 1.

Il potenziale elettrico (tensione) è onnipresente e forse la quantità più comunemente usata nell'elettricità. Spesso è molto più conveniente usare il potenziale elettrico (che è uno scalare) rispetto al campo elettrico (che è un vettore), anche se i due possono essere correlati tra loro. La differenza di potenziale elettrico viene utilizzata per guidare e controllare il movimento di carica (accelerare / decelerare / deviare le cariche), ad esempio in uno schermo TV o in un microscopio elettronico. La differenza di potenziale elettrico (ciò che di solito chiamiamo tensione) è anche ciò che guida il flusso di corrente in un conduttore. Ogni volta che si misura una tensione, si misura la differenza di potenziale elettrico tra due punti (uno dei quali a volte è un punto di riferimento o un terreno definito per avere potenziale zero).

L'autore dell'esperimento riconosce l'assistenza di Gary Hudson per la preparazione del materiale e Chuanhsun Li per aver dimostrato i passaggi del video.