Elektriği anlamak için, elektrik kuvvetini ve bir elektrik alanı varlığında yüklere ne olacağını anlamalısınız. Yük hangi kuvvetleri hissedecek? Sonuç olarak nasıl hareket edecek? İlgili bir kavram, piller ve devreler hakkında konuştuğunuzda özellikle yararlı hale gelen elektrik potansiyelidir.
Elektrik Potansiyelinin Tanımı
Bir yerçekimi alanına yerleştirilmiş bir kütlenin, konumu nedeniyle belirli bir miktarda potansiyel enerjiye sahip olduğunu hatırlayabilirsiniz. (Yerçekimi potansiyel enerjisiGdd/razaltanmghDünya yüzeyine yakın.) Benzer şekilde, bir elektrik alanına yerleştirilen bir yük, alandaki konumu nedeniyle belirli bir miktarda potansiyel enerjiye sahip olacaktır.
elektrik potansiyel enerjisibir ücretinqyük tarafından üretilen elektrik alan nedeniyleStarafından verilir:
PE_{elec}=\frac{kQq}{r}
Nerederyükler ile Coulomb sabiti arasındaki mesafedir k = 8.99 × 109 Nm2/C2.
Bununla birlikte, elektrikle çalışırken, adı verilen bir miktarla çalışmak genellikle daha uygundur.elektrik potansiyeli
(aynı zamanda elektrostatik potansiyel olarak da adlandırılır). Basit kelimelerle elektrik potansiyeli nedir? Eh, birim yük başına elektrik potansiyel enerjisi. elektrik potansiyeliVsonra bir mesaferbir nokta yükündenSdır-dir:V=\frac{kQ}{r}
Neredekaynı Coulomb sabitidir.
Elektrik potansiyelinin SI birimi volttur (V), burada V = J/C (coulomb başına joule). Bu nedenle elektrik potansiyeline genellikle "gerilim" denir. Bu ünite, ilk elektrik pilinin mucidi Alessandro Volta'nın adını almıştır.
Birkaç yükün dağılımından kaynaklanan uzayda bir noktadaki elektrik potansiyelini belirlemek için, her bir yükün elektrik potansiyellerini basitçe toplayabilirsiniz. Elektrik potansiyelinin skaler bir büyüklük olduğuna dikkat edin, bu nedenle bu bir vektör toplamı değil, doğrudan bir toplamdır. Bununla birlikte, bir skaler olmasına rağmen, elektrik potansiyeli yine de pozitif ve negatif değerler alabilir.
Voltmetre ile voltajı ölçülen maddeye paralel bağlanarak elektrik potansiyel farkları bir voltmetre ile ölçülebilir. (Not: elektrik potansiyeli ve potansiyel farkı tam olarak aynı şey değildir. İlki belirli bir noktadaki mutlak niceliği, ikincisi ise iki nokta arasındaki potansiyel farkını ifade eder.)
İpuçları
Elektrik potansiyeli enerjisi ile elektrik potansiyelini karıştırmayın. Birbirleriyle yakından ilişkili olsalar da aynı şey değiller!Elektrik potansiyeliVile ilgilidirelektrik potansiyel enerjisiPEeleküzerindenPEelek = qVbir ücret karşılığındaq.
Eşpotansiyel Yüzeyler ve Çizgiler
Eş potansiyel yüzeyler veya çizgiler, elektrik potansiyelinin sabit olduğu bölgelerdir. Belirli bir elektrik alanı için eş potansiyel çizgiler çizildiğinde, yüklü parçacıklar tarafından görülen uzayın bir tür topografik haritasını oluştururlar.
Ve eş potansiyel çizgiler gerçekten de topografik harita ile aynı şekilde işlev görür. Böyle bir topografyaya bakarak bir topun hangi yöne yuvarlanacağını tahmin edebileceğiniz gibi, eşpotansiyel haritasından da bir yükün hangi yöne hareket edeceğini tahmin edebilirsiniz.
Yüksek potansiyelli bölgeleri tepelerin tepeleri ve düşük potansiyelli bölgeleri vadiler olarak düşünün. Tıpkı bir topun yokuş aşağı yuvarlanacağı gibi, pozitif bir yük de yüksek potansiyelden düşük potansiyele doğru hareket edecektir. Bu hareketin tam yönü, diğer kuvvetler hariç, her zaman bu eş potansiyel çizgilere dik olacaktır.
Elektrik potansiyeli ve elektrik alanı:Hatırlarsanız, pozitif yükler elektrik alan çizgileri yönünde hareket eder. Elektrik alan çizgilerinin her zaman eş potansiyel çizgileri dik olarak keseceğini görmek kolaydır.
Bir nokta yükünü çevreleyen eş potansiyel çizgiler aşağıdaki gibi görünecektir:
Yükün yakınında birbirlerine daha yakın yerleştirildiklerini unutmayın. Bunun nedeni, potansiyelin orada daha hızlı düşmesidir. Hatırlarsanız, pozitif bir nokta yük noktası için ilişkili elektrik alan çizgileri radyal olarak dışa doğru ve beklendiği gibi bu çizgileri dik olarak keser.
İşte bir dipolün eş potansiyel çizgilerinin bir tasviri.
•••uygulama kullanılarak yapılmıştır: https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and-fields_en.html
Antisimetrik olduklarına dikkat edin: Pozitif yüke yakın olanlar yüksek potansiyel değerleridir ve negatif yüke yakın olanlar düşük potansiyel değerleridir. Yakınlarda herhangi bir yere yerleştirilen pozitif bir yük, yokuş aşağı yuvarlanan bir topun yapmasını beklediğiniz şeyi yapacaktır: Düşük potansiyelli “vadi”ye doğru ilerleyin. Negatif yükler ise tam tersini yapar. “Yokuş yukarı yuvarlanıyorlar!”
Serbest düşüşte olan cisimler için yerçekimi potansiyel enerjisinin kinetik enerjiye dönüşmesi gibi, Bir elektrikte serbestçe hareket eden yükler için kinetik enerjiye dönüştürülen elektrik potansiyel enerjisidir. alan. Dolayısıyla, eğer q yükü potansiyel bir V boşluğunu geçerse, potansiyel enerjideki değişiminin büyüklüğüqVşimdi kinetik enerji1/2mv2. (Bunun, yükü aynı mesafeye taşımak için elektrik kuvveti tarafından yapılan iş miktarına da eşdeğer olduğunu unutmayın. Bu, iş-kinetik enerji teoremi ile tutarlıdır.)
Piller, Akım ve Devreler
Pillerdeki voltaj listelerini görmeye muhtemelen aşinasınızdır. Bu, iki akü terminali arasındaki elektrik potansiyeli farkının bir göstergesidir. İki terminal iletken bir tel ile bağlandığında, iletken içindeki serbest elektronlar hareket etmeye indüklenecektir.
Elektronlar düşük potansiyelden yüksek potansiyele doğru hareket etseler de, akımın akış yönü kanonik olarak zıt yönde tanımlanır. Bunun nedeni, fizikçiler aslında fiziksel olarak hareket edenin negatif yüklü bir parçacık olan elektron olduğunu bilmeden önce pozitif yük akışının yönü olarak tanımlandı.
Bununla birlikte, çoğu pratik amaçlar için, bir yönde hareket eden pozitif elektrik yükü zıt yönde hareket eden negatif elektrik yükü ile aynı, ayrım olur alakasız.
Bir kablo, pil gibi bir güç kaynağından yüksek potansiyelde ayrıldığında ve ardından farklı güç kaynaklarına bağlandığında bir elektrik devresi oluşturulur. devre elemanları (muhtemelen süreçte dallanır) daha sonra tekrar bir araya gelir ve gücün düşük potansiyel terminaline geri bağlanır kaynak.
Bu şekilde bağlandığında, akım devre boyunca hareket eder ve çeşitli devrelere elektrik enerjisi verir. enerjiyi ısıya, ışığa veya harekete dönüştüren devre elemanlarıdır. işlev.
Bir elektrik devresi, akan su içeren borulara benzer olarak düşünülebilir. Pil, suyun yokuş aşağı akması için borunun bir ucunu kaldırır. Tepenin dibinde, pil suyu en başa kadar kaldırır.
Voltaj, suyun serbest bırakılmadan önce ne kadar yükseğe kaldırıldığına benzer. Akım su akışına benzer. Ve yoluna çeşitli engeller (örneğin bir su çarkı) konulursa, tıpkı devre elemanları gibi enerji aktarıldığı için suyun akışını yavaşlatırdı.
Salon Gerilimi
Pozitif akım akışının yönü, uygulanan potansiyelin varlığında pozitif bir serbest yükün akacağı yön olarak tanımlanır. Bu kural, siz bir devrede hangi yüklerin gerçekten hareket ettiğini bilmeden önce yapıldı.
Akımı pozitif yük akışı yönünde tanımlasanız bile, gerçekte elektronların ters yönde aktığını biliyorsunuz. Ancak, akım her iki şekilde de aynı olduğunda, sağa hareket eden pozitif yükler ile sola hareket eden negatif yükler arasındaki farkı nasıl anlarsınız?
Hareketli yüklerin, harici bir manyetik alan varlığında bir kuvvete maruz kaldığı ortaya çıktı.
Belirli bir manyetik alanın varlığında belirli bir iletken için, sağa doğru hareket eden pozitif yükler yukarı doğru bir kuvvet ve dolayısıyla iletkenin üst ucunda toplanacak ve üst uç ile alt uç arasında bir voltaj düşüşü yaratacaktır.
Aynı manyetik alanda sola doğru hareket eden elektronlar da yukarı doğru bir kuvvet hisseder ve böylece iletkenin üst ucunda negatif yük toplanır. Bu etki denirsalon etkisi. olup olmadığını ölçereksalon voltajıpozitif veya negatif, hangi parçacıkların gerçek yük taşıyıcıları olduğunu söyleyebilirsiniz!
İncelenecek Örnekler
Örnek 1:Bir küre, 0.75 C ile düzgün olarak yüklenmiş bir yüzeye sahiptir. Potansiyel 8 MV (megavolt) merkezinden ne kadar uzaktadır?
Çözmek için, bir nokta yükün elektrik potansiyeli denklemini kullanabilir ve r uzaklığı için çözebilirsiniz:
V=\frac{kQ}{r}\r=\frac{kQ}{V} anlamına gelir
Rakamları takmak size nihai sonucu verir:
r=\frac{kQ}{V}=\frac{(8.99\times10^9)(0.75)}{8.00\times10^6}=843\text{ m}
Bu, kaynaktan neredeyse bir kilometre uzakta bile oldukça yüksek bir voltaj!
Örnek 2:Elektrostatik boya püskürtücüsü, boya damlacıklarını topraklanmış bir nesneye iten 25 kV (kivolvolt) potansiyelde 0,2 m çapında bir metal küreye sahiptir. (a) Kürenin üzerindeki yük nedir? (b) 0,1 mg'lık bir boya damlasının cisme 10 m/s hızla ulaşması için ne kadar yük olması gerekir?
(a) bölümünü çözmek için elektrik potansiyeli denkleminizi Q'yu çözmek için yeniden düzenlersiniz:
V=\frac{kQ}{r}\Q anlamına gelir = \frac{Vr}{k}
Ardından, yarıçapın çapın yarısı olduğunu akılda tutarak sayılarınızı girin:
S = \frac{Vr}{k}=\frac{(25\times 10^3)(0.1)}{8.99\times 10^9}=2.78\times10^{-7}\text{ C}
(b) kısmı için, enerji korunumunu kullanırsınız. Kaybedilen potansiyel enerji, kazanılan kinetik enerjiye dönüşür. İki enerji ifadesini eşitleyerek ve çözerekq, elde edersiniz:
qV=\frac{1}{2}mv^2\q=\frac{mv^2}{2V} anlamına gelir
Ve yine, son cevabı almak için değerlerinizi girersiniz:
q=\frac{mv^2}{2V}=\frac{(0.1\times10^{-6})(10)^2}{2(25\times10^3)}=2\times10^{-10 }\metin{ C}
Örnek 3:Klasik bir nükleer fizik deneyinde, bir alfa parçacığı, altın bir çekirdeğe doğru hızlandırıldı. Alfa parçacığının enerjisi 5 MeV (Mega-elektronvolt) olsaydı, saptırmadan önce altın çekirdeğe ne kadar yaklaşabilirdi? (Bir alfa parçacığının yükü +2'dir.eve bir altın çekirdeğin yükü +79etemel yük neredee = 1.602 × 10-19 C.)
İpuçları
Elektron volt (eV) bir potansiyel birimi DEĞİLDİR!Bir elektronu 1 voltluk potansiyel farkla hızlandırmak için yapılan işe eşdeğer bir enerji birimidir. 1 elektron volt =e×1 volt, neredeetemel yüktür.
Bu soruyu çözmek için, önce r'yi çözmek için elektrik potansiyel enerjisi ile elektrik potansiyeli arasındaki ilişkiyi kullanırsınız:
PE_{elec}=qV=q\frac{kQ}{r}\r=q\frac{kQ}{PE_{elec}} anlamına gelir
Daha sonra, birimlere son derece dikkat ederek değerleri girmeye başlarsınız.
r=q\frac{kQ}{PE_{elec}}=2e\frac{(8.99\times10^9 \text{ Nm}^2/\text{C}^2)(79e)}{5\times10^ 6\metin{ eV}}
Şimdi, 1 elektron volt =eDaha da basitleştirmek için ×1 volt ve son yanıtı almak için kalan sayıyı takın:
r=2e\frac{(8.99\times10^9 \text{ Nm}^2/\text{C}^2)(79\cancel{e})}{5\times10^6\cancel{\text{ eV }}\text{ V}}\\ \text{ }\\=2(1.602\times 10^{-19}\text{ C})\frac{(8.99\times10^9 \text{ Nm}^2/\text{C}^2)(79)} {5\times10^6\text{ V}}\\ \text{ }\\=4.55\times10^{-14}\text{ m}
Karşılaştırma için, bir altın çekirdeğin çapı yaklaşık 1.4 × 10'dur.-14 m.