Потенциал электрического поля — Основы электроники
В зависимости от количества зарядов и их величины изменяется энергия электрического поля, создаваемого этими зарядами. Очевидно, что величина энергии электрического поля, образованного одним ‘зарядом, будет отличаться от величины энергии поля, образованного двумя или тремя такими же зарядами.
В практике очень часто приходится сравнивать различные по величине поля. Это сравнение производится по действиям полей на единичный положительный заряд (так называемый пробный заряд). Поясним это.
Определение: Единичным называется заряд, величина которого равна одной единице заряда.
Пусть, например, поле образовано некоторым положительным зарядом. Чтобы внести в какую-то точку этого поля единичный положительный заряд, необходимо затратить определенную работу на преодоление силы отталкивания между основным и единичным зарядами. Величина потенциальной энергии поля при этом возрастает.
Попробуем теперь внести единичный заряд в другое поле, образованное в два раза большим электрическим зарядом. Очевидно, что при этом придется затратить большую работу, чем в первом случае. Следовательно, и потенциальная энергия поля возрастет больше, чем в первом случае.
В электротехнике для характеристики поля вводится специальное понятие — электрический потенциал.
Определение; Электрический потенциал некоторой точки поля численно равен работе, затрачиваемой при внесении единичного положительного заряда из-за пределов поля в данную точку.
Измеряется потенциал электрического поля в вольтах. Такое название единицы для измерения потенциала дано по имени итальянского физика Алессандро Вольта (1745—1827), открывшего закон взаимодействия электрических токов и предложившего первую гипотезу для объяснения магнитных свойств вещества.
Характеристика поля с помощью электрического потенциала очень удобна. Она позволяет сравнивать не только различные электрические поля, но и отдельные точки одного и того же поля. Вместо того, например, чтобы говорить «шар А наэлектризован более сильно, чем шар Б», можно сказать: «потенциал шара А выше потенциала шара Б». Потенциал точки поля обычно обозначается буквой φ.
Электрическое поле может создаваться не только положительным или отрицательным зарядом, но и их совокупностью. В таком поле отдельные точки могут иметь как отрицательные, так и положительные потенциалы. Чтобы в этом случае сравнивать потенциалы различных точек, ввели условное понятие о точке с нулевым потенциалом, т. е. стали считать, что одна из точек (или несколько точек) имеет потенциал, равный нулю. Потенциалы остальных точек поля определяются относительно точки нулевого потенциала. Этот метод аналогичен методу измерения температур. Там также определенная температура (температура тающего льда) принимается за нулевую точку и по отношению к ней определяется температура других тел.
В электротехнике условно считают, что нулевой потенциал имеет поверхность земли.
Если потенциал в данной точке выше потенциала земли, то мы говорим, что точка обладает положительным потенциалом. Если же, наоборот, потенциал точки ниже потенциала земли, то точка обладает отрицательным потенциалом.
Измеряя потенциалы различных точек электрического поля относительно земли, можно убедиться в том, что они неодинаковы. Значит, между отдельными точками может быть некоторая разность потенциалов.
Определение: Разность потенциалов между двумя точками электрического поля называется напряжением. Напряжение, так же как и потенциал, измеряется в вольтах.
Сказанное поясним примером.
На рис. 1 мы условно показали четыре точки: А—с потенциалом + 20 в, Б — с потенциалом +40 в, В — с нулевым потенциалом (земля) и Г — с потенциалом—15 в.
Рисунок 1. Разность потенциалов между различными точками электрического поля
Разность потенциалов между точками Б и А =40—20=20 в;
Разность потенциалов между точками А и В =20— 0=20 в;
Разность потенциалов между точками Б и В =40— 0=40 в;
Разность потенциалов между точками А и Г=20—(—15) =35 в.
Потенциал точки Б выше потенциалов точек А, В и Г. Потенциал точки А выше потенциалов точек В и Г, но ниже потенциала точки Б. Потенциал точки В ниже потенциалов точек А и Б, но выше потенциала точки Г.
Следует обратить внимание на то, что точки отрицательного потенциала имеют более низкий потенциал, чем тонки нулевого потенциала.
Можно и иначе определить напряжение между двумя точками. Для этого рассмотрим две точки А и Б электрического поля.
Допустим, что потенциал точки А равен φА потенциал точки Б равен φБ. Потенциал точки А (или Б) определяется той работой, которую необходимо затратить на перенос единичного положительного заряда из-за пределов поля в точку А (или Б). Если для переноса единичного положительного заряда из-за предела поля в точку А и в точку Б требуется затратить различную по величине работу, то φА не равно φБ и между точками А и Б существует некоторая разность потенциалов, или напряжение. Это напряжение определяется разностью
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Похожие материалы:
Добавить комментарий
Элеком37, Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение. физика.
Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение.
Электростатическое поле обладает важным свойством: работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда.
Свойство потенциальности (независимости работы от формы траектории) электростатического поля позволяет ввести понятие потенциальной энергии заряда в электрическом поле. А физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда, называют потенциалом φ электрического поля:
Потенциал φ является энергетической характеристикой электростатического поля. В Международной системе единиц (СИ) единицей потенциала (а значит и разности потенциалов, т.е. напряжения) является вольт [В]. Потенциал — скалярная величина.
Во многих задачах электростатики при вычислении потенциалов за опорную точку, где значения потенциальной энергии и потенциала обращаются в ноль, удобно принять бесконечно удаленную точку. В этом случае понятие потенциала может быть определено следующим образом: потенциал поля в данной точке пространства равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.
Вспомнив формулу для потенциальной энергии взаимодействия двух точечных зарядов и разделив ее на величину одного из зарядов в соответствии с определением потенциала получим, что
Потенциал рассчитанный по этой формуле может быть положительным и отрицательным в зависимости от знака заряда создавшего его. Эта же формула выражает потенциал поля однородно заряженного шара (или сферы) при r ≥ R (снаружи от шара или сферы), где R – радиус шара, а расстояние r отсчитывается от центра шара.
Для наглядного представления электрического поля наряду с силовыми линиями используют эквипотенциальные поверхности. Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью или поверхностью равного потенциала. Силовые линии электрического поля всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. Эквипотенциальные поверхности кулоновского поля точечного заряда – концентрические сферы.
Электрическое напряжение это просто разность потенциалов, т.е. определение электрического напряжения может быть задано формулой:
В однородном электрическом поле существует связь между напряженностью поля и напряжением:
Работа электрического поля может быть вычислена как разность начальной и конечной потенциальной энергии системы зарядов:
Работа электрического поля в общем случае может быть вычислена также и по одной из формул:
В однородном поле при перемещении заряда вдоль его силовых линий работа поля может быть также рассчитана по следующей формуле:
В этих формулах:
Во всех предыдущих формулах речь шла именно о работе электростатического поля, но если в задаче говорится, что «работу надо совершить», или идет речь о «работе внешних сил», то эту работу следует считать так же, как и работу поля, но с противоположным знаком.
Принцип суперпозиции потенциала
Из принципа суперпозиции напряженностей полей, создаваемых электрическими зарядами, следует принцип суперпозиции для потенциалов (при этом знак потенциала поля зависит от знака заряда, создавшего поле):
Обратите внимание, насколько легче применять принцип суперпозиции потенциала, чем напряженности. Потенциал – скалярная величина, не имеющая направления. Складывать потенциалы – это просто суммировать численные значения.
Глава 18. Напряженность и потенциал электрического поля.Силовые линии электрического поля
Для характеристики создаваемого зарядами электрического поля вводятся две величины — напряженность электрического поля и его потенциал. Напряженность характеризует силу, действующую со стороны поля на внесенный в него пробный заряд. Если в какой-то точке поля на заряд действует сила , то напряженность электрического поля в этой точке равна
(18.1) |
где — заряд, который мы взяли, чтобы «попробовать» поле в данной точке. Такой заряд называется «пробным». Пробный заряд не должен искажать распределение зарядов, создающих поле, и потому должен быть достаточно мал. В формулу (18.1) пробный заряд входит со своим знаком (не модуль), поэтому, как следует из (18.1), вектор напряженности поля в некоторой точке направлен так же, как и вектор силы, действующей в этой точке на положительный пробный заряд.
Найдем напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом . Для этого возьмем произвольный пробный заряд и поместим его в точку, находящуюся на расстоянии от заряда . Сила, действующую на пробный заряд со стороны заряда , определяется законом Кулона (17.1), (17.2). Поэтому согласно (18.1) имеем
(18.2) |
где . Направлен вектор напряженности от заряда , если , и к нему, если .
Пусть поле создается несколькими зарядами … В этом случае его напряженность равна векторной сумме напряженностей тех полей, которые создаются каждым зарядом в отдельности. Действительно, из принципа суперпозиции следует, что на пробный заряд в этом случае действует сила …, где … — силы, действующие на пробный заряд со стороны каждого заряда … Поэтому из (18.1) получаем
(18.3) |
где … — напряженности тех полей, которые создавались бы каждым зарядом в отдельности в отсутствие других зарядов. Утверждение (18.3) называется принципом суперпозиции для полей. Формула (18.2) и принцип суперпозиции позволяют вычислить поле, создаваемое любым заряженным телом — с помощью мысленного разбиения его на точечные части и суммирования напряженностей, создаваемых всеми таким частями. Однако из-за математической сложности такой процедуры, она не входит в программу школьного курса физики. Школьник должен знать без вывода результат ее применения к заряженным сферам и плоскостям. Из формул (17.4), (17.5) получаем для напряженности поля сферы радиуса , равномерно заряженной зарядом , в точке на расстоянии от центра сферы:
(18.4) |
где , а из формулы (17.6) для напряженности поля равномерно заряженной плоскости
(18.5) |
где — заряд плоскости, — площадь, — поверхностная плотность зарядов плоскости.
Электрическое поле можно изобразить графически (на современном русском языке — визуализировать) с помощью силовых линий. Силовые линии — это такие воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают по направлению с вектором напряженности в этой точке. Вообще говоря, силовые линии проходят через каждую точку поля (кроме тех точек, где ), но поскольку так их нарисовать нельзя, условились проводить их с определенной густотой в зависимости от величины поля: чем гуще расположены силовые линии, тем больше величина напряженности поля.
Второй характеристикой электрического поля является его потенциал. Основная идея введения этой величины заключается в следующем. Если электрический заряд перемещается в электрическом поле (созданном другими зарядами), то со стороны поля на него действуют силы, и, следовательно, поле совершает работу. Потенциал поля — это такая функция точки поля , что работа , совершаемая полем над точечным пробным зарядом при его перемещении из точки с радиусом-вектором в точку с радиусом-вектором , равна
(18.6) |
(именно в такой последовательности). Из формулы (18.6) следует, что работа, которую совершает поле при перемещении заряда, не зависит от формы траектории, а определяется только начальной и конечной ее точками. В частности, при перемещении тела по замкнутой траектории поле совершает нулевую работу.
Поскольку в формулу (18.6), входит разность потенциалов двух точек поля, потенциал определен с точностью до постоянной. Эту постоянную всегда можно выбрать так, что потенциал любой заданной точки поля можно сделать равным нулю. Как правило, в качестве такой точки выбирают бесконечно удаленную от зарядов точку поля, считая ее потенциал равным нулю. Из формулы (18.6) следует, что потенциал любой точки поля равен отношению работы, которую совершает электрическое поле при перемещении пробного заряда из этой точки в ту точку, потенциал которой выбран равным нулю, к пробному заряду.
Можно доказать, что если поле создается точечным зарядом , то потенциал на расстоянии от заряда при условии, что потенциал бесконечно удаленной точки принят за нуль, равен
(18.7) |
Важно отметить, что в формулу (18.7) входит заряд со знаком (не модуль!), т.е. потенциал поля, создаваемого положительным зарядом, — положительный, отрицательным — отрицательный.
Для потенциалов справедлив принцип суперпозиции: если поле создается несколькими точечными зарядами, то потенциал любой его точке равен алгебраической сумме потенциалов (18.7), создаваемых в этой точке каждым точечным зарядом. Это правило позволяет найти потенциал поля, создаваемого протяженным заряженным телом: нужно мысленно разделить тело на малые («точечные») части, по формуле (18.7) найти потенциал поля, создаваемого каждой такой частью, а затем сложить полученные результаты.
Для решения задач ЕГЭ нужно знать (без вывода) формулу потенциала поля равномерно заряженной сферы. Пусть имеется сфера радиуса , равномерно заряженная зарядом . Тогда потенциал точки поля, расположенной на расстоянии центра сферы, равен
(18.8) |
(точка нулевого потенциала выбрана на бесконечности).
Часто в задачах ЕГЭ по физике используется связь напряженности однородного электрического поля и разности потенциалов двух точек поля, лежащих на одной силовой линии. Для нахождения этой связи возьмем положительный пробный заряд , перенесем его из первой точки во вторую вдоль силовой линии и найдем работу, которую совершает при этом электрическое поле. Поскольку поле действует на заряд с постоянной силой , угол между перемещением и этой силой равен нулю (заряд движется вдоль силовой линии), поэтому работа сил поля равна , где — расстояние между исследуемыми точками. С другой стороны, по определению потенциала работа поля равна . Приравнивая эти работы, находим
(18.9) |
Подчеркнем, что формула (18.9) справедлива только для однородного поля, а точки 1 и 2 должны лежать на одной силовой линии.
Рассмотрим теперь задачи.
Величина напряженности электрического поля, создаваемого точечным зарядом (задача 18.1.1), определяется формулой (18.2)
где (ответ 1).
Размерность напряженности электрического поля (задача 18.1.2) можно найти из связи напряженности поля и потенциала (см. формулу (18.9)). А поскольку размерность потенциала в международной системе единиц СИ – вольт, из формулы (18.9) имеем:
где квадратные скобки обозначают размерность (ответ 3).
Для определения напряженности поля используют пробный заряд (см. формулу (18.1)). Однако напряженность (18.1) ни от знака, ни от величины пробного заряда не зависят (задача 18.1.3). Это связано с тем, что сила в (18.1) линейно зависит от пробного заряда , и он сокращается в (18.1). Если взять пробный заряд отрицательным, то направление вектора числителе (18.1) изменится по сравнению со случаем положительного пробного заряда, но отношение будет направлено противоположно вектору , т.е. направление вектора не изменится (ответ 4).
Для нахождения поля, созданного двумя точечными зарядами (задача 18.1.4), используем принцип суперпозиции. Напряженности полей, создаваемых в точке каждым зарядом в отдельности, показаны тонкими векторами и отмечены как и . Поскольку модули этих векторов равны, вектор их суммы направлен вертикально вниз (ответ 4).
По определению силовые линии — это такие воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают по направлению с вектором напряженности в этой точке (задача 18.1.5 — ответ 4).
Поскольку силовые линии поля в задаче 18.1.6 направлены направо, то направо направлен и вектор напряженности в каждой точке. Поэтому направо будет направлен и вектор силы, действующий со стороны этого поля на положительные точечный заряд (ответ 2).
Поскольку все траектории движения заряда I, II и III в задаче 18.1.7 начинаются и заканчиваются в тех же точках, то работа поля над зарядом при его движении по всем трем траекториям одинакова (ответ 4).
Разность потенциалов двух точек однородного электрического поля (задача 18.1.8) найдем по формуле (18.9):
(ответ 1).
Поскольку вектор напряженности электрического поля в любой точке направлен от заряда, то силовые линии поля расходятся радиально, являясь везде прямыми (см.рисунок). Таким образом, правильный ответ в задаче 18.1.9 — 1.
По определению потенциала имеем для работы поля в задаче 18.1.10
(ответ 3).
Силовые линии электрического поля строятся так, что их густота пропорциональна величине поля: чем гуще силовые линии, тем больше величина напряженности. Поэтому в задаче 18.2.1 (ответ 2).
Рисунок в задаче 18.2.2 — тот же самый, что и в предыдущей задаче, однако логика получения ответа совсем другая. Чтобы сравнить потенциалы в точках 1 и 2 перенесем из первой точке во вторую положительный пробный заряд и найдем работу поля. Так как , и если работа положительна, то , если отрицательна — наоборот. Очевидно, работа поля при перемещении положительного заряда из точки 1 в точку 2 положительна. Действительно, стрелки на силовых линиях направлены вправо, следовательно, и сила, действующая на положительный заряд, направлена вправо, туда же направлен и вектор перемещения заряда, поэтому косинус угла между силой и перемещением положителен на всех элементарных участках траектории, поэтому положительна работа. Таким образом (ответ 1), причем этот результат является следствием направления стрелок на силовых линиях, а не переменной густоты силовых линий.
В задаче 18.2.3 используем формулу для потенциала поля точечного заряда. Поскольку потенциал поля обратно пропорционален расстоянию до заряда, создающего поле (см. формулу (18.7)),
(ответ 2). Другими словами, на втрое большем расстоянии от точечного заряда потенциал его поля втрое меньше.
Очевидно, искомая в задаче 18.2.4 точка, находится между зарядами. В этой точке величины напряженностей полей и , создаваемых каждым зарядом, должны быть равны (см. рисунок). Используя формулу (18.2), получаем
где . Отсюда находим (ответ 3).
Используя принцип суперпозиции для потенциалов и формулу для потенциала поля точечного заряда (18.7), получим для искомой точки (задача 18.2.5)
где . Отсюда находим (ответ 2).
Поскольку все заряды в задаче 18.2.6 одинаковы, то напряженность поля, созданного в центре квадрата каждой парой зарядов, лежащих на одной диагонали, равна нулю. Поэтому равна нулю и напряженность электрического поля, созданного всеми четырьмя зарядами (ответ 2).
В задачах 18.2.7 и 18.2.8 используем принцип суперпозиции. Векторы напряженности полей, создаваемых верхней и нижней пластинами и соответственно показаны на рисунках (левый рисунок относится к задаче 18.2.7, правый — к 18.2.8). Из этих рисунков следует, что в области II для задачи 18.2.7 и в областях I и III для задачи 18.2.8 векторы и направлены противоположно. А поскольку величина напряженности поля плоскости не зависит от расстояния до нее (формула (18.5)), а заряды плоскостей одинаковы по величине, напряженность суммарного поля в этих областях равна нулю.
Таким образом, правильный ответ в задаче 18.2.7 — 2, в задаче 18.2.8 — 3. Отметим, что полученный результат является приближенным и справедлив в пределе бесконечно больших пластин. Для конечных пластин поле в указанных областях будет малым, но отличным от нуля, причем величина поля будет наибольшей около краев пластин.
По принципу суперпозиции для потенциалов имеем (задача 18.2.9) . Если убрать либо первый, либо второй заряды, то потенциал в исследуемой точке станет равным соответственно или . Отсюда находим (ответ 2).
Согласно формуле (18.8) потенциал поля в любой точке внутри сферы равен потенциалу на ее поверхности
где . Поэтому правильный ответ в задаче 18.2.10 — 4.
Источники энергии. Потенциал и падение напряжения
Еще один пост из серии основы основ. Заметил я, что многие совершенно не въезжают в концепцию падения напряжения, разности потенциалов и типов источников питания. Поэтому запилю ка я ликбез по этой теме. С самого начала. Потом заброшу его в начало рубрики «Начинающим». Пойдет как замена цикла статей канализационной электроники. Т.к. тот цикл писался для «Хакера» и особой подробностью не отличался ввиду ограничений на размер полосы.
Начало начал. Ноль.
Итак, начну с самого начала. Со дна. То есть с земли. Точки нулевого потенциала. Эта точка совершенно произвольная. Просто нам так удобно, что мы приняли ее за ноль. Надо же с чего то начинать. В однополярном питании это, обычно, минус питания. В двуполярном — нечто посредине, впрочем от конструкции зависит.
Источник энергии
Что такое вообще источник электрической энергии? Это всего лишь «зарядовый насос» который перекачивает электроны (или ионы) посредством химической, электростатической, сегнетоэлектрической, электромагнитной, термической, да любой энергии. Это не важно. Суть лишь в том, что он искажает нейтрально-равномерное распределение зарядов, стаскивая положительные в одну сторону, отрицательные в другую.
Как насос, поднимая воду на высоту, за счет энергии толпы грязных нигр, в поте лица вращающих его маховик, увеличивает потенциальную энергию воды, поднятую на высоту.
И вот если мы примем один конец нашей трубы-проводника за ноль, то на другой будет какой то потенциал. Какой?
А это зависит от силы источника энергии, ведь заряды сопротивляются, хотят обратно, к нулевому состоянию. Системе с минимальной энергией. А еще от характеристик самой силы. Например, химическая, что в солевых батарейках, не дает напряжения больше 1.5 вольт. Это свойства электролита и электродов (я химию уже подзабыл, но что то там связано с электрохимическим рядом).
Причем мы можем источники энергии составлять цепочкой. И тогда выходит, что выход первого, станет точкой нулевого потенциала для второго, такого же, и он сможет накачать еще столько же сверху. А относительно общего нуля будет вдвое больше.
Как если бы мы соединили два насоса последовательно, один набивает нам давление в 1 атмосферу, и второй относительно него набивает 1 атмосферу, а вместе они выдают аж два очка.
У меня на прошлой работе делали стендовые мультиметры. Делали их из обычных DT-838 прикручивая их на панели. Делали массово, сотнями. А все они с завода комплектуются батарейкой типа КРОНА которая тут оказывалась не нужна. Батарейка была голимая, но свои 9вольт давала. И таких батареек была целая коробка от телевизора, россыпью. А Крона прикольна тем, что она может соединяться своим разьемом с другой Кроной. Ну я от нефиг делать давай их соединять последовательно, раскладывая на полу. Сколько я их соединил я уже не помню. Потом мне тупо стало страшно, т.к. в длину у меня пространство кончилось, а в два слоя их соединять сцыкотно — так как концы близко получались. А у меня в результате получился источник напряжением чуть ли не под киловольт и способный дать в течении нескольких минут ток в пару ампер. Коротни я его на себя и от меня бы одни ботинки остались. Пришлось разобрать адскую машину.
Замкнутая цепь
Ну вот есть у нас источники энергии, каждый наращивает потенциал согласно своей дури. На вершине же этой цепи у нас будет их суммарный потенциал. Дикое количество нескомпенсированных зарядов, рвущихся к нулю. Их можно сравнить с сжатым воздухом.
Обратно они прорваться не могут — источник энергии не дает. Вперед — некуда. Для пробоя воздуха энергии не хватает. Вот и висят в таком состоянии. Как батарейка, никуда не подключенная — на выходе голый потенциал и никакой движухи. Напряжение есть, а тока нет. Осталось только дать им путь. Замкнем цепь. Накоротко, без полезной нагрузки.
И ток рванет по короткому пути, а потом обратно за счет источника энергии наверх и так далее. Напряжение наверху сразу же упадет в ноль. Но раз сопротивления нет, то с какой скростью он это будет делать? Идеальный насос, с бесконечной мощностью, разгонит нам ток до бесконечности.
Но в реальности выходит на сцену производительность насоса. Т.е. насос физически, ввиду своей конструкции, не может нам прокачать больше определенного объема (скажем, ограниченный размер цилиндра), а у батареи есть ограниченная площадь электродов, у генератора есть сопротивление обмоток. Получается в цепи все же есть сопротивление, это сопротивление источника. И выше него не прыгнешь. Также и с реальным источником напряжения. У него тоже всегда есть внутреннее сопротивление. И чем оно ниже, тем мощней источник, тем больший ток он сможет отдать.
Впрочем, никто не мешает взять и соединить два насоса-источника параллельно. И у нас получится, что они с одинаковым давлением (напряжением) родят вдвое больший ток. Правда тут надо учитывать, что ставить в параллель два источника с разным напряжением нельзя — тогда более слабый будет продавливаться более сильным и служить потребителем. Разумеется если внешней нагрузки, которая бы просадила напряжение до уровня слабого, нет.
Тоже самое касается и последовательного включения. Если мы воткнем в последовательное включение источник с большим внутренним сопротивлением чем у всех остальных, то он забьет всю цепь и будет обузой, не давая развивать максимальный ток.
Теперь вспомним о батарейках. Когда батарейка новая, то у ней малое внутреннее сопротивление, но чем больше электролита вступает в реакцию тем внутреннее сопротивление становится больше. И получается, что напряжение то она выдает и мультиметр показывает вроде бы четкие полтора вольта, но стоит затребовать с нее большой ток, как она мгновенно сдувается — возросшее сопротивление не позволяет выдать его и напряжение падает.
А теперь немног больше конкретики. Закон Ома для полной цепи.
Есть просто закон Ома: напряжение = ток * сопротивление
U = I * R
Это частный случай закона Ома для отдельного элемента цепи. Но есть еще закон Ома для полной цепи, с учетом источника.
Итак, у нас в цепи есть:
Наш идеальный насос — источник электродвижущей силы (ЭДС) — Е. У него бесконечная мощность и нулевое внутреннее сопротивление.
Но, чтобы жизнь не казалась медом, добавим еще и внутреннее сопротивление. Чтобы получить реальный источник. Re
А также есть нагрузки R1 и R2, включенные последовательно.
Ток (I) в последовательной неразветвленной цепи одинаков везде. И равен он величине ЭДС поделенной на сумму ВСЕХ сопротивлений, в том числе и внутреннего. И из этого получается вот что:
E = I*Re+I*R1+I*R2
Т.к. I*R=U перепишем все по иному:
E = I*Re + U1 + U2
Получается, что электродвижущая сила нашего источника, раскладывается, в зависимости от величины нагрузки, по всей цепи. Чем больше нагрузка, тем больше там надо приложить энергии для ее преодоления. Т.е. в нашей батарейке, если у нас E константа и не меняется (напомню, что она зависит только от химии процесса и подбора материалов батареи — т.е. это конструктивная особенность батареи), то при увеличении Re у нас, чтобы сохранить равенство, приходится снижать ток. А раз так, то падает U1 и U2 т.е. напряжение на потребителе. Еще, можно заметить, что у последовательных потребителей напряжение на каждом из них зависит от его R. И там где сопротивление больше — будет большее напряжение.
А что происходит когда мы тыкаем вольтметром в нашу дохлую батарею? А у вольтметра ОГРОМНОЕ сопротивление. И по сравнению с ним внутреннее сопротивление источника даже не отсвечивает.
Re <<<< Rвольтметра
А ток одинаково мал (доли милиампера) для всех потребителей. Таким образом в уравнении:
Е = I*Re + I*Rвольтметра
На цифрах:
Е=1.5
Re=10 Ом
Rвольтметра = 10 000 000 Ом
I = 1.5/10 000 010 = 1,499Е-7
I*Re = 0.00000015 * 10 = 1.499Е-6
I*Rвольтметра = 1,499Е-7 * 10 000 000 = 1.4991.5 = 1.499Е-6 + 1.499
Львиная доля напряжения высадится там, где сопротивление больше — на вольтметре. И вольтметр покажет практически величину Е, но это будет работать лишь на малых токах. При снижении сопротивления нагрузки и увеличении тока, часть I*Re будет все весомей и весомей, пока не перетащит на себя все напряжение. Тогда на нагрузке напряжение упадет почти до нуля — батеря просто не способна дать ток, такой, чтобы удержать напряжение. Либо, если это не батарейка, а какой либо другой источник — источник не тянет нагрузку. А если у батареи от долгой работы на нагрузку увеличилось внутреннее сопротивление, то в этом случае батарейка села.
Источник напряжения. Стабилизация
Но бывают такие хитрые схемы, где у источника внутреннее сопротивление можно менять в широких пределах. И есть следящая система, которая регулирует его таким образом, чтобы на нагрузке было строго определенное напряжение. Разумеется до тех пор пока токи не выходят за оговоренные рамки, а дальше неизбежный провал. Причем если сопротивление нагрузки, например, уменьшится, то и сопротивление источника уменьшится, чтобы иметь возможность пустить через нагрузку больший ток и выровнять напряжение на нагрузке.
Если брать идеальный источник напряжения — фактически голый источник ЭДС с нулевым сопротивлением, то он при снижении нагрузки в ноль даст бесконечный ток. Простейшим примером источника напряжения является конденсатор в момент разрядки. У идеального конденсатора внутреннее сопротивление равно нулю, поэтому когда он разряжается, то на бесконечно малом промежутке времени дает бесконечно большой ток.
Потенциал
Исходя из названия величины — это потенциальная энергия электрического поля в конкретной точке. Но для того, чтобы ее замерить надо задать отправную точку, систему отсчета — точку нулевого потенциала. Она может быть где угодно. Зависит лишь от наших целей в текущий момент. Но обычно за ноль принимают корпус или минус питания. Это и будет нашей точкой нулевого потенциала — Землей.
Возьмем и пририсуем к нашей цепи эту точку, вот так.
Итак, у нас есть цепь. Параметры такие:
Е = 5В
R = 1 Ом — все резисторы, для простоты.
I = 1 A
Теперь найдем потенциал во всех точках. Он, традиционно, обозначется буквой фи. Правило тут простое:
- 0. Выбираем точку нуля.
- 1. Выбираем направление обхода.
- 2. Выбираем направление тока в контуре. Совершенно произвольно, если ошибешься с направлением, то ряд величин будет с отрицательным знаком, но уравнение все равно сойдется. Однако лучше все же выбирать ток исходя из логического предположения того, как он должен течь при данном направлении источника — минусов будет меньше.
- 2. Если источник нам по пути, то он увеличивает потенциал, на величину своей ЭДС.
- 3. Если по пути нагрузка. То если ток совпадает с выбранным направление обхода, то потенциал уменьшаем на I*Rн Если же ток через нагрузку идет против нашего обхода, то увеличиваем потенциал на I*Rн.
И вернемся к нашему контуру:
- 0. Точка нуля задана.
- 1. Пусть обход контура по часовой.
- 2. Ток по часовой.
- 3. Проходим источник ЭДС. Потенциал в точке Б сразу же подскакивает на его величину. Вот оно максимальное напряжение. Но это где то в глубине батареи, мы его не замерим кроме как математически. Поэтому проходим внутреннее сопротивление. Идем по току, поэтому у нас потенциал снижается на I*Rе. В Точке В мы получили реальный потенциал на клемме нашей батареи. Идем дальше, дальше у нас резистор. Там ток течет по обходу, а значит потенциал уменьшается еще на I*R1. Дальше аналогично. В итоге, когда мы сделаем круг, на каждом резисторе потенциал будет падать до тех пор, пока не выйдет в ноль, по возвращении в точку начала обхода.
Если сделать обход в обратную сторону, то получится все то же самое, только потенциал будет рости до тех пор пока мы не дойдем до Е и, пройдя его против направления, не вычтем ЭДС выйдя опять на ноль.
Но это мы получали потенциал относительно нуля. А если взять разность потенциалов между точкой Г и Е ? А мы получим напряжение между двумя этими точками. Если ткнуть туда вольтметром, то он покажет именно это напряжение. Т.е. напряжение это разность потенциалов. А падение напряжения между точками — это та величина на которую меняется потенциал при переходе из одной точки схемы в другую.
И главное надо очень четко понять тот факт, что главное в цепи это разность потенциалов. Есть разность потенциалов — есть ток, заряды текут и стремятся эту разность свести на ноль. Нет — тока не будет, т.к. зарядам в этом случае совершенно не захочется куда то бежать и где то там что то выравнивать, т.к. энергия системы в этом случае минимальная.
Тока может и не быть, если цепь не замкнута, а вот потенциала хоть отбавляй. Например, лежит кусок провода, никуда не подключен. На концах разность ноль — все заряды равномерно распределены.
Пошла мимо провода электромагнитная волна, извне откуда то прилетела, послужила тем самым источником энергии и раскидала заряды по разным концам провода. Появилась разность потенциалов на концах.
Таким образом, даже в никуда не подключенной ноге микроконтроллера, если она висит в режиме высокого входного сопротивления (HiZ — т.е. практически никуда не подключена и цепь разомкнута), из воздуха, от случайных помех, могут наводится большие потенциалы, достаточные для хаотичного переключения входа из 0 в 1 и обратно. А если к ноге приделать длинный провод, то на нем может навестись такой потенциал, что контроллер пожгет нафиг. Поэтому то длинные линии обычно делают в виде токовой петли, с низким сопротивлением, чтобы не наводилось на них перенапряжений. А наличие-отсутствие сигнала ловят по наличию-отсутствию тока нужной величины.
Эту концепцию потенциала и зависимости тока от него надо понять досконально, на уровне спинного мозга. Потому что потом дальше оперирование будет в основном потенциалами относительно общей точки.
Понятие падения напряжения активно юзается при обсчете нелинейных элементов, вроде диодов.
Расчет резистора для светодиода
Итак, есть у нас светодиод. Некий абстрактный. И у него по даташиту падение напряжения 2.5 вольта. А допустимый ток 10мА. А еще есть батарея, дающая 5 вольт и имеющая внутреннее сопротивление в 1Ом.
Что означает падение напряжения светодиода? А то, что между его выводами напряжение может быть не выше 2.5 вольта. Т.е. воткнешь ты его на батарею хоть в 100 вольт, а там все равно должно быть 2.5 вольта. Достигается это за счет того, что сопротивление диода тем меньше, чем большее к нему приложено напряжение. Куда же деть остальные 97.5 вольт? А их придется высадить на внутреннем сопротивлении источника. А если оно мало? А не волнует! Придется вкачать большой ток, настолько болшой, чтобы на внутреннем сопротивлении источника высадило это злосчастные 97.5 вольт. Вот только ток там уйдет в сотни ампер. А светодиод от таких токов пыхнет плазменной вспышкой и устроит тебе КЗ со взрывом.
Конечно, у реального светодиода все не так страшно и сопротивление его бесконечно падать не может, а падение напряжения не константное и меняется, но когда эти отклонения будут значительными ток будет уже за гранью допустимого. Так что можно смело принять падение напряжения на светодиоде за константу.
Итак, вернемся к нашим баранам.
Есть источник, есть диод. Вот такая схема.
Е=I*Re+Vled
5=I*1 + 2.5
Воткнув наш пятивольтовый источник на наш 2.5 вольтовый диод мы получим падение напряжения на диоде 2.5 вольта. И столько же должно высадиться на внутреннем сопротивлении источника. Ток будет 2.5А это очень много, на два порядка выше чем разрешено. Значит надо добавить еще один резистор, дабы он сбросил на себя часть напряжения и обеспечил ток в 10мА.
Е=I*Re + I*R + 2.5
Понятно, т.к. I = 0.01 то вычислить R не сложно. R = 249 Ом. Ближайший из ряда E24 — 240 Ом.
Параметры диода из его даташита, токоограничительное сопротивление мы выбираем, а откуда взять внутреннее сопротивление источника? А обычно им пренебрегают, считая его равным нулю. Один фиг его сопротивление в порядки меньше чем сопротивление ограничивающего резистора.
Источник тока
Антипод источника напряжения. Если источник напряжения выдает напругу и может развить бесконечный ток, лишь бы эту напругу удержать.
То источник тока выдает ток и может выдать бесконечное напряжение, лишь бы этот ток продавить. Имеет бесконечное внутреннее сопротивление, поэтому его выдаваемое напряжение (I*Rвн) и стремится к бесконечности. У реального же источника тока есть внутреннее сопротивление и расположено оно параллельно. Т.е. если ток через нагрузку не продавливается, то он уходит по внутреннему сопротивлению, не давая броска напряжения до победного конца. И чем выше внутреннее сопротивление источника тока, тем большее падение напряжения будет на нем, а значит и большее напряжение на нагрузке. Тем самым, по закону Ома, через нагрузку продавит больший ток.
Источниками тока в природе является катушка индуктивности, в момент разрыва цепи. Поэтому то она так и искрит, т.к. накачивает дикое напряжение, стремясь пробить дорогу току и удержать его на прежнем уровне.
Формула напряжения электрического поля в физике
Содержание:
Определение и формула напряжения электрического поля
Определение
Скалярную физическую величину, численно равную работе, которую совершает электростатические и сторонние силы, перемещая единичный положительный заряд, называют напряжением (падением напряжения) на участке цепи. Напряжение обозначают буквой U. Математическая формулировка определения напряжения имеет вид:
$$U=\frac{A}{q}(1)$$где A — работа, которую совершает сила над зарядом qна некотором участке цепи.
Пусть пробный заряд (q>0) перемещается в однородном электрическом поле под воздействием сил рассматриваемого поля из точки 1 в точку 2 на расстояние d (рис.1) в направлении поля.
Работа, которую совершают силы поля за счет его потенциальной энергии, равна:
$$A=\overline{F d}=F d=E q d(2)$$где E – напряженность электрического поля. Из определения напряжения электрического поля и выражения (2) получаем, что формулой для расчета напряжения однородного поля можно считать:
$$U=E d(3)$$При перемещении положительного заряда из точки (1), имеющей потенциал $\varphi_{1}$ в точку (2) c потенциалом $\varphi_{2}$ напряжение между этими двумя точками поля равноразности потенциалов этих точек:
$$U=\varphi_{1}-\varphi_{2}(4)$$В электростатическом поле напряжение между двумя точками не зависит от формы пути, который соединяет данные точки. В электростатическом поле напряжение вдоль замкнутого контура всегда равно нулю. Поэтому для электростатического поля имеется возможность ввода разности потенциалов, которая однозначно определена действующим полем и служит характеристикой поля.{r_{2}} \frac{\tau}{2 \pi r \varepsilon_{0}} d r=\frac{\tau}{2 \pi \varepsilon_{0}} \ln \left(\frac{r_{2}}{r_{1}}\right)=\frac{\tau}{2 \pi \varepsilon_{0}} \ln ?|2|$$
Ответ. $U=\frac{\tau}{2 \pi \varepsilon_{0}} \ln ?|2|$
Читать дальше: Формула работы.
Потенциал напряжений — Энциклопедия по машиностроению XXL
Электростатические силы возникают вследствие болы ого градиента потенциала (напряженности поля) в переходных об- [c.89]При этом учтено, что по теореме Эйлера офз/двц = s. Определяя потенциал напряжений по формуле (18.7.3), найдем [c.631]
Если закон ползучести для материала известен, то известен потенциал напряжений U (вар), так что напряжения выражаются следующим образом [c.639]
Естественное распространение сформулированной я 18.4 теории упрочнения на общий случай трехосного напряженного состояния заключается в том, что потенциал напряжений Ф считается зависящим не только от напряжений, но также от [c.642]
Подставляя выражения (48.18) в формулы (48.6), (48.7) и UB.5), найдем компоненты смещений, электрический потенциал, напряжения и вектор электрической индукции [c.387]
Работы Кулона позволили ввести основные понятия, относящиеся к электростатическим и магнитостатическим силам заряд — количество электричества, плотность заряда, поле сил, потенциал, напряженность и др. [c.105]
С учетом того, что напряжения линейно зависят от потенциала напряжений, можно рассматривать непосредственно Ф . Поэтому [c.257]
Возможность легкого и технически совершенного превращения электроэнергии в любую форму, необходимую потребителю (в тепловую энергию — в нагревательных элементах и печах, в световую — в лампах накаливания и дуговых фонарях, в механическую —в электромоторах), и изменять потенциал (напряжение) в трансформаторах. [c.7]
В настоящей работе рассматривается метод электротепловой аналогии, для которой аналогами являются температура и электрический потенциал (напряжение) коэффициент теплопроводности и удельная электрическая проводимость теплоемкость и электрическая емкость термическое сопротивление и электрическое сопротивление плотность теплового потока и электрический ток. [c.14]
Фактор интенсивности (потенциал, напряженность) выражает напряженность свойства или его степень. Фактор интенсивности не складывается как сумма величин факторов интенсивности отдельных частей, а выравнивается. [c.19]
Потенциал напряжения питания (как правило, 24 или 220 Вольт), который мы будем называть фазой . [c.297]
Но потенциал напряжения, необходимого для выделения ме- талла на катоде должен быть несколько больше нормального потенциала на величину падения напряжения в проводниках п на преодоление ЭДС, возникающей между электродами в результате поляризации их. [c.19]
Так, например, существование градиента температуры порождает в качестве основного процесса переноса теплопроводность — перенос тепла, пропорциональный VT (закон Фурье), существование градиента плотности вызывает диффузию — перенос массы, пропорциональный Vp (закон Фика), существование градиента электрического потенциала (напряженности поля) порождает электрический ток — перенос заряда, пропорциональный V
[c.571]
Иногда в термоупругости оказывается удобным определить потенциал напряжений [c.139]
Изменение потенциала напряжений за цикл отсутствует [c.190]
Электрический потенциал, напряжение, электродвижущая сила (ЭДС) для электростатического поля определяются равенствами [c.36]
Единица электрического потенциала (напряжения, электродвижущей силы) есть разность потенциалов, по прохождении которой заряд в 1 Фр приобретает энергию в I эрг. [c.72]
Единицы электрического потенциала, напряженности электрического поля, электрической емкости, электрического сопротивления и проводимости в гауссовой системе согласно определяющим уравнениям (12) имеют следующие размеры [c.74]
Согласно уравнениям (12) и (23) электрический потенциал (напряжение, ЭДС), электрическая емкость, сопротивление, электрическая проводимость и индуктивность имеют размерности [c.79]
Электрический потенциал, напряжение, ЭДС [c.150]
Заметим, что если w(0) = О и Ж(0) = О, то константа в правой части (7.42) равна нулю. Итак, операторное преобразование Лежандра ставит в соответствие потенциалу деформации потенциал напряжения. Можно ввести и оператор потенциальной энергии напряжения Ф аналогично введенному оператору потенциальной энергии деформации (7.7) [c.58]
Упражнение 1.13. Вводя упругий потенциал напряжения w и потенциальную функцию напряжения [c.81]
| Таблица 2,7. Изменение поверхностного потенциала, напряженность поля в окисле и электронно-химическая эффективность молекул ингибиторов |
Решим вспомогательную задачу. Найдем комплексный потенциал напряжений F (г), когда на L заданы скачки смещений у t) и напряжений я (/), т. е. [c.183]
Воспользовавшись представлением (VI.26), построим так же, как и в аналогичной плоской задаче теории упругости (см. параграф 5 главы III), комплексный потенциал напряжений [c.204]
Резкое разблагораживание потенциала напряженного образ ца в начале и во время трещинообразования объясняется непрерывным появлением свежей лишенной защитной пленки поверх ности металла. [c.62]
Неравенство (3) показывает, что угол тр между векторами Аповерхность текучести расположена по одну сторону от касательной плоскости и, следовательно, является выпуклой. Из неравенства (4), выражающего постулат Друкера, следует, что скорость диссипации энергии для действительного, т. е. отвечающего соотношениям пластического потенциала, напряженного состояния больше, чем для какого-либо другого напряженного состояния, допускаемого условием текучести. [c.7]
Итак, потенциал, напряжение и э. д. с. выражаются в одних и тех же единицах. Это, в частности, подтверждается и соотношением [c.76]
Точечная коррозия. Испытания на точечную коррозию проводились по методу, предложенному Акимовым и Кларк. По этому методу определенный участок сварной трубы подвергается анодной поляризации от внешнего источника тока и определяется потенциал образца в зависимости от наложенного напряжения. При усилении анодной поляризации потенциал образца сначала возрастает, пока не наступает пробивание защитной окисной пленки в наиболее слабой точке, после чего начинается резкое снижение потенциала. Величина потенциала, соответствующая максимуму, на кривой потенциал — напряжение принимается за характеристику стойкости к точечной коррозии, так как характеризует появление первого питтинга. Такие кривые были получены для различных участков сварной трубы, на основании этих данных составлена табл. 2. [c.13]
При определении связи aij — гij через диссипативную функцию [4 потенциал напряжений, согласно (1.18), (1.19), следует принять в виде [c.98]
Согласно (1.18), (1.19) при а1 7 О в качестве потенциала напряжений может быть использовано выражение [c.98]
Соотношения (2.12), (2.10), (2.11) могут быть использованы в качестве потенциала напряжений [c.99]
В качестве потенциала напряжений, согласно (2.20), (2.16), (2.19) следует использовать выражение [c.100]
Два соотпогаения (3.6) могут быть использованы в качестве пластического потенциала. В качестве потенциала напряжений следует использовать функцию [c.101]
Определим потенциал напряжений в виде [c.415]
Потенциал напряжений следует определить в виде [c.418]
Материал, свойства которого одинаковы для образцов, вырезанных в любом направлении, называется изотропным. Более точно, это определение изотропии относится к весьма малым образцам, вырезанным в окрестности одной и Toii же точки. Изотропный материал может быть неоднородным, т. е. упругие свойства его могут меняться от точки к точке. Очевидно, что потенциал напряжений или упругая энергия изотропного тела не должен меняться при измененпи осей координат, поэтому он должен выражаться через инварианты тензора деформаций. Единственная однородная квадратичная форма, составленная из этих инвариантов, зависит от двух констант и выражается следующим образом [c.239]
Рассматриваемая гальванопара Эванса является короткозамкнутой. Ее электроды замкнуты накоротко (по металлу) на ее внутреннее сопротивление (на электролит в трещине). Поэтому значение электродного потенхщала непосредственно в напряжен-но-деформированной вершине трещины практически не должно отличаться от такового на берегах (стенках) трещины, где прог текает катодный процесс. Эксперименты по моделированию пары Эванса показали, что высказанное положение соответствует действительности потенциал напряженного металла в момент контакта последнего в электролите с большей по площади пластиной ненапряженного металла смещается до величины потенциала данной пластины. [c.68]
Ele tromotive for e — Электродвижущая сила. (1) Сила, которая определяет поток электричества разность электрического потенциала. (2) Электрический потенциал напряжение. [c.948]
Тогда можно ввести упругопластический потенциал напряжения W и потенциальную энергию напряжения Ф следуюшим образом [c.105]
Наиболее детально такое исследование проведено Хором и Хайнесом [116], табл, 3. При коррозионном растрескивании нержавеющих сталей аустенитного класса в 42%-ном кипящем растворе Mg l2. Данные исследований (фиг. 49 и 50) показывают, что потенциал напряженных образцов располагался в области более отрицательных значений, чем ненапряженных. При этом выявлено следующее изменение во времени потенциалов напряженного и ненапряженного металла первоначально они разблагораживаются, затем вновь облагораживаются и далее остаются неизменными, и лишь при трещинообразовании значение потенциала напряженных образцов скачкообразно спадает в отрицательную сторону. Этот спад значений потенциала тем резче и быстрее, чем больше величина действующих напряжений. [c.61]
Электрическое поле напряжение потенциал — Справочник химика 21
На рис. 10.6 приведена зависимость электрофоретической подвижности и и -потенциала частиц ЗЮг в растворе K l при рН = 3 от напряженности электрического поля Н, полученная на основании статистической обработки результатов измерений для 30 разных частиц при каждом заданном значении Н. Из рисунка видно, что с увеличением градиента потенциала от 100 до 1300 В/м величина U монотонно возрастает от 1-10 до 2-10 м -с/В, а -потенциал изменяется соответственно от —14 до —28 мВ. Значения -потенциала рассчитывали по формуле Смолуховского без поправок на поляризацию ДЭС частиц SiOa. [c.180]Если на ионы электролита действует электрическое поле напряженностью порядка 200 000 В/см, они начинают двигаться со скоростью порядка 1 м/с. В таких условиях ионная атмосфера отстает от центрального иона и не успевает возникнуть на новом месте. Движущийся ион фактически свободен от ионной атмосферы. Поэтому при достаточно высоких градиентах потенциала исчезают оба эффекта торможения — релаксационный и электрофоретический. Эффект Вина проявляется сильнее в тех случаях, когда имеется сильное межионное взаимодействие. Значит, чем выше заряды ионов и чем больше их концентрация, тем сильнее будет проявляться эффект Вина. При увеличении напряженности электрического поля Л Л°, так как в уравнении Онзагера релаксационный член а и электрофоретический член Ь исчезают при [c.196]
Для получения наиболее простого уравнения, связывающего скорость относительного движения фаз с параметрами, определяющими свойства дисперсионной среды (вязкость, диэлектрическая проницаемость), двойного электрического слоя ( -потенциал) и внешнего электрического поля (напряженность), необходимо задаться некоторыми ограничениями 1) толщина двойного электрического слоя значительно меньще радиуса пор, капилляров твердой фазы (радиуса кривизны поверхиости твердой фазы) 2) слой жидкости, непосредственно прилегающий к твердой фазе, неподвижен движение жидкости в порах твердой фазы ламинарное и подчиняется законам гидродинамики 3) распределение зарядов в двойном электрическом слое не зависит от приложенной разности потенциалов 4) твердая фаза является диэлектриком, а жидкость проводит электрический ток. [c.220]
В электрохимических превращениях скорости стадий переноса заряда, а следовательно, и скорости электродных процессов зависят от потенциала электрода. Принято считать, что ион или молекулы способны участвовать в реакции переноса заряда, если они находятся в плоскости максимального приближения, положения которой отождествляются с границей плотной части двойного электрического слоя. В таком пограничном слое перенос заряда происходит в электрическом поле напряженностью до 10 В/см, которое оказывает значительное влияние на свойства реагирующих частиц, на скорость переноса заряда и которое изменяется при изменении электродного потенциала. [c.301]
Коллоидные частицы, представляющие собой совокупность большого числа молекул вещества, содержащегося в сточной воде в диспергированном состоянии, при перемещении прочно удерживают покрывающий их слой воды. Обладая большой удельной площадью поверхности, коллоидные частицы адсорбируют находящиеся в воде ионы преимущественно одного знака, значительно понижающие свободную поверхностную энергию коллоидных частиц. Ионы, непосредственно прилегающие к ядру, образуют слой поверхностно-ядерных ионов, или так называемый адсорбционный слой. В этом слое может находиться также небольшое число противоположно заряженных ионов, суммарный заряд которых, однако, не компенсирует заряда поверхностно-ядерных ионов. В связи с тем, что на границе адсорбционного слоя создается электрический заряд, вокруг гранулы (ядра с адсорбционным слоем) образуется диффузионный слой, в котором находятся остальные противоположно заряженные ионы, компенсирующие заряд гранул. Гранула вместе с диффузионным слоем называется мицеллой. На рис. 4.1 показано изменение напряженности электрического поля мицеллы. Потенциал на границе ядра— термодинамический потенциал (е-потенциал) —равен сумме нарядов всех поверхностно-ядерных ионов. На границе адсорбционного слоя потенциал уменьшается на величину, равную сумме зарядов, находящихся в адсорбционном слое противоположно заряженных ио- [c.126]
Рассмотрим две проводящие сферические частицы с радиусами Н, и Кг, несущие заряды внешнее электрическое поле напряженности Ед (рис. 12.1). Обозначим через 0 угол между линией, соединяющей центры частиц, и вектором Ед. Пространство между частицами заполнено покоящимся однородным изотропным диэлектриком с диэлектрической проницаемостью е, частицы не движутся относительно диэлектрика. Так как вне сфер свободные заряды отсутствуют, то потенциал электрического поля ф в этой области удовлетворяет уравнению Лапласа [c.280]
На практике электрофильтры обычно работают без искрения при максимальном напряжении, поскольку оно усиливает как, заряд частиц, так и осаждающее электрическое поле. Пробойный потенциал вообще-выше при отрицательном заряде на коронирующем электроде и менее устойчив, когда корона имеет поло-, жительный заряд. Однако существует мнение, что образование озона значительно меньше при положительном коронном разряде, чем при отрицательном. Вследствие этого в промышленных электрофильтрах применяется отрицательный разряд, а положительный используется при кондиционировании воздуха. [c.316]
Рис. IV. 12 иллюстрирует изменение потенциала ф и скорости движения жидкости и в капиллярах пористого тела с изменением расстояния от межфазной поверхности. Направленное перемещение жидкости, вызванное внешним электрическим полем напряженностью Е, уравновешивается действие.м возникающей [c.260]
Автоионная эмиссия зависит от напряженности электрического поля и потенциала ионизации атомов. Величина зазора между двумя электродами в искровом источнике не остается постоянной во время анализа, следовательно, изменяется напряженность электрического поля, что отражается на выходе ионов. [c.33]Первый интеграл уравнения (1) дает зависимость напряженности электрического поля от потенциала [c.159]
Один из наиболее прогрессивных методов нанесения лакокрасочных материалов, который получил широкое распространение, — окраска в электрическом поле высокого напряжения [1, с. 87 ]. Сущность этого метода заключается в том, что частицы краски, попадая в зону электрического поля высокого потенциала, приобретают заряд и осаждаются на подлежащей окраске заземленной поверхности, имеющей противоположный заряд. Преимущества этого метода [c.157]
Как известно, между положительно и отрицательно заряженными точками устанавливается электрический потенциал (электрическое напряжение). Под действием такого напряжения заряды перемещаются от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом. Таким образом возникает электрический ток, который стремится выравнять разность потенциалов между двумя точками электрического поля. [c.145]
Ме] — равновесная концентрация металла и — подвижность иона Сг = [МеА ] — равновесная концентрация -ой формы комплекса См —общая молярная концентрация металла Са общая молярная концентрация лиганда В — напряженность электрического поля, градиент потенциала 5—площадь сечения [c.5]
Таким образом, состояние системы определяется независимыми переменными (параметрами состояния), число которых зависит от характера конкретной системы, а выбор их в принципе произволен и связан с соображениями целесообразности. Для определения состояния простейших систем—однородных и постоянных во времени по массе и по составу (состоящих из одной фазы и не изменяющихся химически)—достаточно знать две независимые переменные из числа трех (объем V, давление р и температура Т). В более сложных системах в число независимых переменных могут входить концентрации, электрический заряд, электростатический потенциал, напряженность магнитного поля и другие. [c.37]
Потенциал электрического поля. Напряжение поля [c.257]
На рис. 4.2 и 4.3 приведены кривые изменения -потенциала и температуры системы в зависимости от напряженности электрического поля. Изменение -потенциала в левой части кривой от минимума, по-видимому, обязано образованию слоя гидроксильных ионов на границе скольжения, а увеличение заряда частиц после превышения значения Е = 1000—2000 В/м объясняется ростом кинетической энергии системы с возрастанием температуры. Заметим, что для отмытой системы увеличение температуры незначительно, и возрастание кинетической энергии может быть связано и с увеличением напряженности поля. [c.111]
При соприкосновении частиц проводника с поверхностью электрода (рис. П1.1, а) минерал приобретает потенциал электрода. Частицы проводников практически сразу заряжаются до предельного значения. Частицы минералов-непроводников диэлектриков) могут сохранять свой первоначальный, заряд в течение десятков секунд или минут [49], однако ввиду конечных значений проводимостей постепенно разряжаются и также приобретают потенциал электрода. Помимо электрической проводимости скорость зарядки (или разрядки) частиц зависит от их формы и контактного сопротивления с электродом, а предельная величина заряда зависит от диэлектрической проницаемости, формы частиц и напряженности внешнего электрического поля. Для проводящего шарика радиусом г, касающегося электрода и находящегося в постоянном электрическом поле напряженностью Е предельная величина заряда [62] [c.211]
Напряженность электрического поля в любой точке на расстоянии X от центрального электрода определяется как градиент потенциала в этой точке. Если приложенное напряжение или разность потенциалов между [c.430]
Величина потока пропорциональна соответствующей обобщенной силе. Например, при протекании постоянного тока по проводнику поток электронов i (сила или плотность тока) пропорционален градиенту электрического потенциала т. е. напряжению электрического поля вдоль проводника [c.111]
На основании формулы (10.2) были рассчитаны напряжения сдвига 0 для различных значений Я. Наблюдаемое изменение -потенциала в процессе увеличения напряженности электрического поля позволяет оценить величину смещения границы скольжения по следующей формуле [c.181]
Напряженность электрического поля Е (В/м) в любой точке определяется как градиент потенциала в этой точке. Если приложенное напряжение, или разность потенциалов между двумя коаксиальными электродами, представляющими собой устройство, состоящее из электрода и трубки с радиусами соответственно и / 2, обозначить V, то [c.440]
Рис. IV. 12 иллюстрирует изменение потенциала ср и скорости движения жидкости и в капиллярах пористого тела с изменением расстояния от межфазной поверхности. Направленное перемещение жидкости, вызванное внешним электрическим полем напряженностью Е, уравновещивается возникающей в ней силой трения. В стационарном состоянии общая сила, действующая на любой сколь угодно малый слой жидкости, равна нулю, и он движется с постоянной скоростью параллельно границе скольн[c.220]
Сила, с которой заряд электрическое поле (напряженность электрического поля измеряется в вольтах на метр, В/м). На расстоянии 0,1 нм от электрона напряженность электрического ноля равна 1,4-10″ В/м. Электрическое поле можио записать как градиент потенциала Ф [c.377]
На рис. 1.3.3.1 показано изменение напряженности электрического поля мицеллы. Потенциал на границе ядра (термодинамический г-потенциал) равен сумме зарядов всех поверхностных ионов. На границе адсорбционного слоя потенциал уменьшается на величину, равную сумме зарядов противмюложно заряженных ионов, находящихся в адсорбционном слое. Потенциал на границе адсорбционного слоя называется электроки-нетическим потенциалом (( -потенциал). [c.22]
Это равновесное состояние обозначает, что химический потенциал одинаков во всех частях системы. Такое же равновесие установится, если металл и полупроводник привести в контакт. Во всех случаях возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов (КРП). Существование КРП свидетельствует о наличш в пространстве металл-поотпроводник электрического поля, напряженность которого Е =, где с( расстояние между металлом и полупроводником. Это поле создается поверх-костннш зарядами — на металла и + на полупроводнике. Естественно ожидать, что при химической адсорбции работа выхода и величина КРП изменятся. [c.283]
Нанесение лакокрасочных покрытий окраской в электрическом поле необходимо проводить в антикоррозионных цехах. Сущность метода заключается в том, что частицы краски, попадая в электрическое поле высокого потенциала, приобретают заряд и осаждаются на подлежащей окраске поверхности, имеющей противоположный заряд. Окраска производится установкой УЭРЦ-1, состоящей из генератора высокого напряжения, создающего электрическое поле между поверхностью и распылителем, ручного электрораспылителя и дозирующего устройства. [c.203]
Во-первых, роль биоэлектрических потенциалов в протекании энергетических превращений. Становится очевидным, что разности биоэлектрических потенциалов на мембранных структурах животных и растительных клеток являются наряду с АТФ обобществленной формой конвертируемой энергии. Речь идет о биоэлектрических потенциалах не только на сопрягающих мембранах, но и на других мембранных системах, в том числе на плаэмалемме. Здесь энергия электрического поля, напряженность которого весьма высока, используется на совершение осмотической, механической и других видов работы. Поэтому нередко для характеристики степени энерги-зованности клетки используют величину ее мембранного потенциала. [c.5]
Изучение связи, существующей между направлением и скоростью электрофореза пли электроосмоса, с одной стороны, и направлением и напряженностью приложенюго электрического поля — с другой, позволяет получить сведения о знаке и величине заряда твердых частиц относительно жидкости и о соответствующем ему скачке потенциала. [c.231]
Электрический потенциал (напряжснпе электрического поля — V, напряжение тока и электродвижущая сила — Е, V), измеряется в вольтах (и). 1 вольт представляет собой разность потенциалов, под действием которой в проволоке, име-1(яп,ей сопротивление в 1 ом, возникает ток силой в 1 а. [c.23]
Искры статического электричества характеризуются незначительной силой тока (тысячные доли миллиампера), но весьма высокими напряжениями (тысячи и десятки тысяч вольт), поэтому они способны воспламенять многие горючие смеси. Так,, при движении химически чистого бензола по стальным трубам напряжение электрического поля (разность потенциалов) достигает 3600 В. в то время как для воспламенения паров бензола достаточно искры, образующейся при разности потенциалов 300 В. Электростатический разряд, образующийся при разности потенциалов 3000 В, может воспламенить почти все горючие газы, а прн 5000 В — большую часть горючих пылей. На разность потенциалов влияет расстояние между заряженными поверхностями. Так, если при расстоянии между поверхностями 10 см контактное напряжение равно 1 В, то при увеличении расстояния до 10 2 см напряжение возрастает до 1000 В, а при дальнейшем увеличении расстояния до 1 см оно может достигнуть десятков тысяч вольт. Рост потенциала определяется пробивным напряжением для данной среды (для воздуха пробивное напряжение составляет 3100 кВ/м). [c.112]
Теоретические исследования поведения органических веществ в неводных растворах при наложении неоднородного электрического поля [117, 118] позволяют объяснить поведение частиц твердых углеводородов петролатума в таком поле. При сравнительно малых напряженностях электрического поля вследствие поляризации двойного слоя частицы движутся в область большего градиента потенциала. При увеличении напряженности, когда происходит поляризация материала частиц, возникает пондеромотор-наясила, которая изменяет направление частиц в зависимости от диэлектрической проницаемости дисперсной фазы и дисперсионной среды. Измерения при помощи моста переменного тока Р-570 на частоте 1000 Гц показали, что диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды больше, чем дисперсной фазы (2,00 и 1,93 [c.189]
Ионы в растворе в отсутствие внешнего электрического поля колеблются или движутся поступательно беспорядочно, так как все направления перемещения равноценны. При наложении внешнего поля беспорядочность этого движения в основном сохраняется, но одно из направлений становится преимущественным, причем его преимущество тем больше, чем больше градиент потенциала, т. е. чем больше падение напряжения на 1 см. Скоростью движения иона называется величина этого преимущественного передвижения в направлении одного из электродов, выраженная в см1сек. [c.403]
Количественной характеристикой восстановительной снособно-оти атомов является значение энергии ионизации, т. е, энергии, необходимой для отрыва одного электрона от нейтрального атома. Отношение этой величины к заряду электрона есть ионизационный потенциал, т. е. напряжение электрического поля, достаточное для отрыва электрона. Ионизационный потенциал выражают обычно в вольтах (В), а энергию ионизации — в электронвольтах (эВ) или в других единицах энергии. Характерно, что для отрыва второго электрона требуется затрата большего количества энергии, а для отрыва третьего э.пектрона — егде большего. Значения ионизационного потенциала и энергии ионизации атомов различных элементов приведены в табл. 1.2 Прило кения (в конце книги). [c.39]
Было бы неправильным считать, что проблема злектрообработки решена, а внедрение метода сдерживается только отсутствием соответствующей аппаратуры. Существует обширная информация о влиянии электрического поля на обратные эмульсии и значительно меньше сведений о поведении в этом поле прямых эмульсий. Теоретическое рассмотрение поведения частиц дисперсной фазы в полярных средах касается лишь узкой области малых напряженностей электрического поля и относится, в основном, к однородным полям. Еще меньше изучены процессы, протекающие в дисперсиях под влияп лем неоднородных полей с высоким градиентом потенциала. [c.59]
Лекция 19. Потенциал электрического поля, его связь с напряженностью. Энергия системы зарядов. Электрический диполь, его поле, взаимодействие с полем. [c.164]
В растворе электролита ионы движутся беспорядочно. При наложении на раствор электрического поля беспорядочное движение ионов в основном сохраняется, но од ю из направлений становится преимуш,ественным. Направленность движения ионов можно создать при П0М0Ш.И электродов, опущенных в раствор. Чем выше градиент потенциала, т. е. чем больше падение напряжения на 1 см раствора электролита вдоль направления электрического поля, тем выше скорость движения иона в электрическом поле. [c.263]
Учебное пособие по физике: разность электрических потенциалов
В предыдущем разделе Урока 1 было введено понятие электрического потенциала. Электрический потенциал — это зависящая от местоположения величина, которая выражает количество потенциальной энергии на единицу заряда в определенном месте. Когда кулон заряда (или любое заданное количество заряда) обладает относительно большим количеством потенциальной энергии в данном месте, то это место называется местом с высоким электрическим потенциалом.Точно так же, если кулон заряда (или любое заданное количество заряда) обладает относительно небольшим количеством потенциальной энергии в данном месте, то это место называется местом с низким электрическим потенциалом. Когда мы начнем применять наши концепции потенциальной энергии и электрического потенциала к цепям, мы начнем ссылаться на разницу в электрическом потенциале между двумя точками. Эта часть Урока 1 будет посвящена пониманию разности электрических потенциалов и ее применению к движению заряда в электрических цепях.
Рассмотрим задачу перемещения положительного испытательного заряда в однородном электрическом поле из точки A в точку B, как показано на схеме справа. При перемещении заряда против электрического поля из точки A в точку B над зарядом должна работать внешняя сила. Работа, проделанная с зарядом, изменяет его потенциальную энергию на более высокое значение; и объем проделанной работы равен изменению потенциальной энергии. В результате этого изменения потенциальной энергии также существует разница в электрическом потенциале между точками A и B.Эта разность электрических потенциалов представлена символом ΔV и формально называется разностью электрических потенциалов . По определению, разность электрических потенциалов — это разность электрических потенциалов (V) между конечным и начальным местоположениями, когда над зарядом выполняется работа по изменению его потенциальной энергии. В форме уравнения разность электрических потенциалов равна
.Стандартная метрическая единица измерения разности электрических потенциалов — вольт, сокращенно В и названная в честь Алессандро Вольта.Один вольт эквивалентен одному джоулю на кулон. Если разность электрических потенциалов между двумя точками составляет 1 вольт, то один кулоновский заряд получит 1 джоуль потенциальной энергии при перемещении между этими двумя точками. Если разность электрических потенциалов между двумя местоположениями составляет 3 вольта, то один кулон заряда получит 3 джоуля потенциальной энергии при перемещении между этими двумя местоположениями. И, наконец, если разность электрических потенциалов между двумя местоположениями составляет 12 вольт, то один кулон заряда получит 12 джоулей потенциальной энергии при перемещении между этими двумя местоположениями.Поскольку разность электрических потенциалов выражается в вольтах, ее иногда называют напряжением .
Разность электрических потенциалов и простые схемы
Электрические цепи, как мы увидим, все связаны с движением заряда между различными местами и соответствующими потерями и увеличением энергии, которые сопровождают это движение. В предыдущей части Урока 1 концепция электрического потенциала была применена к простой электрической цепи с батарейным питанием.В этом обсуждении было объяснено, что необходимо провести работу с положительным испытательным зарядом, чтобы переместить его через ячейки от отрицательного вывода к положительному выводу. Эта работа увеличит потенциальную энергию заряда и, таким образом, увеличит его электрический потенциал. Когда положительный тестовый заряд перемещается через внешнюю цепь от положительного вывода к отрицательному выводу, он уменьшает свою электрическую потенциальную энергию и, таким образом, имеет низкий потенциал к тому времени, когда он возвращается к отрицательному выводу.Если в цепи используется 12-вольтовая батарея, то каждый кулон заряда получает 12 джоулей потенциальной энергии при прохождении через батарею. Точно так же каждый кулон заряда теряет 12 джоулей электрической потенциальной энергии при прохождении через внешнюю цепь. Потеря этой электрической потенциальной энергии во внешней цепи приводит к увеличению световой энергии, тепловой энергии и других форм неэлектрической энергии.
С четким пониманием разницы электрических потенциалов, роли электрохимической ячейки или совокупности ячеек (т.е., аккумулятор) в простой схеме можно правильно понять. Ячейки просто поставляют энергию для работы с зарядом, чтобы переместить его от отрицательного вывода к положительному. Предоставляя энергию для заряда, элемент может поддерживать разность электрических потенциалов на двух концах внешней цепи. Как только заряд достигнет клеммы с высоким потенциалом, он естественным образом потечет по проводам к клемме с низким потенциалом. Движение заряда по электрической цепи аналогично движению воды в аквапарке или движению американских горок в парке развлечений.В каждой аналогии необходимо проделать работу на воде или на американских горках, чтобы переместить ее из места с низким гравитационным потенциалом в место с высоким гравитационным потенциалом. Когда вода или американские горки достигают высокого гравитационного потенциала, они естественным образом движутся вниз обратно в место с низким потенциалом. Для водных прогулок или американских горок задача по подъему автомобилей с водой или горками до высокого потенциала требует энергии. Энергия подается водяным насосом с приводом от двигателя или цепью с приводом от двигателя.В электрической цепи с батарейным питанием элементы служат в качестве зарядного насоса для подачи энергии на заряд, чтобы поднять его из положения с низким потенциалом через элемент в положение с высоким потенциалом.
Часто удобно говорить об электрической цепи, такой как простая схема, обсуждаемая здесь, как о состоящей из двух частей — внутренней цепи и внешней цепи. Внутренняя цепь — это часть цепи, в которой энергия подается на заряд.Для простой схемы с батарейным питанием, о которой мы говорили, часть схемы, содержащая электрохимические элементы, является внутренней схемой. Внешняя цепь — это часть схемы, в которой заряд движется за пределы ячеек по проводам на своем пути от клеммы с высоким потенциалом к клемме с низким потенциалом. Движение заряда по внутренней цепи требует энергии, поскольку это движение вверх по в направлении, которое составляет против электрического поля .Движение заряда по внешней цепи является естественным, поскольку это движение в направлении электрического поля. Когда на положительном выводе электрохимической ячейки, положительный тестовый заряд имеет высокое электрическое давление , точно так же, как вода в аквапарке находится под высоким давлением после того, как ее перекачивают на вершину водной горки. Находясь под высоким электрическим давлением, положительный испытательный заряд самопроизвольно и естественным образом перемещается по внешней цепи в место с низким давлением и низким потенциалом.
Когда положительный тестовый заряд проходит через внешнюю цепь, он встречает различные типы элементов схемы. Каждый элемент схемы служит устройством преобразования энергии. Лампочки, двигатели и нагревательные элементы (например, в тостерах и фенах) являются примерами устройств преобразования энергии. В каждом из этих устройств электрическая потенциальная энергия заряда преобразуется в другие полезные (и бесполезные) формы. Например, в лампочке электрическая потенциальная энергия заряда преобразуется в световую энергию (полезная форма) и тепловая энергия (бесполезная форма).Движущийся заряд воздействует на лампочку, производя две разные формы энергии. При этом движущийся заряд теряет свою электрическую потенциальную энергию. При выходе из элемента схемы заряд находится под меньшим напряжением. Место непосредственно перед входом в лампочку (или любой элемент схемы) является местом с высоким электрическим потенциалом; и место сразу после выхода из лампочки (или любого элемента цепи) — это место с низким электрическим потенциалом. Ссылаясь на диаграмму выше, местоположения A и B являются местоположениями с высоким потенциалом, а местоположения C и D — местоположениями с низким потенциалом.Потеря электрического потенциала при прохождении через элемент схемы часто упоминается как падение напряжения . К тому времени, когда положительный тестовый заряд возвращается к отрицательному выводу, он находится под 0 вольт и готов к повторному включению, и накачивает обратно на положительный вывод высокого напряжения.
Диаграммы электрических потенциаловДиаграмма электрических потенциалов — удобный инструмент для представления разностей электрических потенциалов между различными точками электрической цепи.Ниже показаны две простые схемы и соответствующие им диаграммы электрических потенциалов.
В цепи A есть D-элемент на 1,5 В и одна лампочка. В цепи B есть 6-вольтовая батарея (четыре 1,5-вольтовых D-элемента) и две лампочки. В каждом случае отрицательный полюс батареи является положением 0 В. Положительный полюс батареи имеет электрический потенциал, равный номинальному напряжению батареи. Аккумулятор заряжает , перекачивает его от клеммы низкого напряжения к клемме высокого напряжения.Таким образом батарея создает разность электрических потенциалов на двух концах внешней цепи. Находясь на под электрическим давлением , заряд теперь будет перемещаться по внешней цепи. Поскольку его электрическая потенциальная энергия преобразуется в энергию света и тепловую энергию в местах расположения лампочек, заряд снижает свой электрический потенциал. Общее падение напряжения на внешней цепи равно напряжению батареи, когда заряд перемещается от положительного вывода обратно до 0 вольт на отрицательном выводе.В случае контура B во внешней цепи есть два падения напряжения, по одному на каждую лампочку. Хотя величина падения напряжения в отдельной лампочке зависит от различных факторов (которые будут обсуждены позже), совокупное падение напряжения должно равняться 6 вольтам, полученным при прохождении через батарею.
Разность электрических потенциалов на двух вставках бытовой электросети зависит от страны.Используйте виджет Household Voltages ниже, чтобы узнать значения напряжения в домашних условиях для различных стран (например, США, Канады, Японии, Китая, Южной Африки и т. Д.).
Проверьте свое понимание
1. Перемещение электрона в электрическом поле изменило бы ____ электрона.
а. масса офб. сумма заряда нац.потенциальная энергия
2. Если бы электрическая цепь была аналогична водной цепи в аквапарке, то напряжение батареи было бы сопоставимо с _____.
а. скорость, с которой вода протекает через контург. скорость, с которой вода течет по контуру
г. расстояние, на котором вода протекает через контур
г. давление воды между верхом и низом контура
e.помеха, вызванная препятствиями на пути движущейся воды
3. Если бы электрическая цепь в вашем Walkman была аналогична водной цепи в аквапарке, тогда батарея была бы сопоставима с _____.
а. люди, которые сползают с возвышенности на землюг. препятствия, стоящие на пути движущейся воды
г. насос, перекачивающий воду с земли на возвышения
г.трубы, по которым течет вода
e. расстояние, на котором вода протекает через контур
4. Что из нижеперечисленного относится к электрической схеме вашего фонарика?
а. Заряд движется по контуру очень быстро — почти со скоростью света.г. Батарея обеспечивает заряд (электроны), который движется по проводам.
г.Батарея обеспечивает заряд (протоны), который движется по проводам.
г. Заряд расходуется по мере прохождения через лампочку.
e. Батарея вырабатывает энергию, повышающую уровень заряда от низкого до высокого напряжения.
ф. … ерунда! Ничего из этого не соответствует действительности.
5. Если аккумулятор обеспечивает высокое напряжение, он может ____.
а. делать много работы в течение своего срока службыг. много работать над каждым обнаруженным зарядом
г. протолкнуть много заряда через цепь
г. длиться долго
На схеме внизу справа показана лампочка, подключенная проводами к + и — клеммам автомобильного аккумулятора. Используйте диаграмму, чтобы ответить на следующие четыре вопроса.
6. По сравнению с точкой D, точка A имеет _____ электрический потенциал.
а. 12 В выше вг. 12 В ниже в
г. точно такой же
г. … невозможно сказать
7. Электрическая потенциальная энергия заряда равна нулю в точке _____.
8. Требуется энергия для перемещения положительного тестового заряда ___.
а. через провод из точки А в точку Бг. через лампочку из точки B в точку C
г. по проводу от точки C до точки D
г. через батарею из точки D в точку A
9. Энергия, необходимая для перемещения +2 C заряда между точками D и A, составляет ____ Дж.
а. 0,167b. 2.0c. 6.0d. 12e. 24
10.Следующая схема состоит из D-ячейки и лампочки. Используйте символы>, <и = для сравнения электрического потенциала в точках A и B и от C до D. Укажите, добавляют ли устройства энергию к заряду или удаляют ее.
11. Используйте свое понимание математической взаимосвязи между работой, потенциальной энергией, зарядом и разностью электрических потенциалов, чтобы заполнить следующие утверждения:
а.9-вольтовая батарея увеличит потенциальную энергию заряда в 1 кулон на ____ джоулей.г. 9-вольтовая батарея увеличит потенциальную энергию 2 кулонов заряда на ____ джоулей.
г. 9-вольтовая батарея увеличит потенциальную энергию заряда 0,5 кулонов на ____ джоулей.
г. Аккумулятор ___-вольт увеличит потенциальную энергию 3 кулонов заряда на 18 джоулей.
e. Аккумулятор ___-вольт увеличит потенциальную энергию 2 кулонов заряда на 3 джоуля.
ф. Батарея на 1,5 В увеличит потенциальную энергию заряда ____ кулонов на 0,75 джоулей.
г. 12-вольтовая батарея увеличит потенциальную энергию ____ кулонов заряда на 6 джоулей.
7.3: Электрический потенциал и разность потенциалов
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Определение электрического потенциала, напряжения и разности потенциалов
- Определите электрон-вольт
- Вычислить электрический потенциал и разность потенциалов на основе потенциальной энергии и электрического поля
- Опишите системы, в которых электрон-вольт является полезной единицей
- Применение экономии энергии в электрических системах
Напомним, что ранее мы определили электрическое поле как величину, не зависящую от пробного заряда в данной системе, что, тем не менее, позволило бы нам вычислить силу, которая возникнет при произвольном пробном заряде.(При отсутствии другой информации предполагается, что пробный заряд положительный.) Мы кратко определили поле для гравитации, но гравитация всегда притягивает, тогда как электрическая сила может быть либо притягивающей, либо отталкивающей. Следовательно, хотя потенциальная энергия вполне достаточна в гравитационной системе, удобно определить величину, которая позволяет нам вычислить работу над зарядом независимо от величины заряда. Непосредственный расчет работы может быть затруднен, поскольку \ (W = \ vec {F} \ cdot \ vec {d} \), а направление и величина \ (\ vec {F} \) могут быть сложными для нескольких зарядов, например предметы необычной формы и по произвольным путям.Но мы знаем, что, поскольку \ (\ vec {F} \), работа и, следовательно, \ (\ Delta U \) пропорциональны испытательному заряду \ (q \). Чтобы получить физическую величину, не зависящую от испытательного заряда, мы определяем электрического потенциала \ (В \) (или просто потенциала, поскольку понимается электрический) как потенциальную энергию на единицу заряда:
Электрический потенциал
Потенциальная электрическая энергия на единицу заряда составляет
\ [V = \ dfrac {U} {q}. \ label {eq-1} \]
Поскольку U пропорционально q , зависимость от q отменяется.Таким образом, V не зависит от q . Изменение потенциальной энергии \ (\ Delta U \) имеет решающее значение, поэтому нас интересует разность потенциалов или разность потенциалов \ (\ Delta V \) между двумя точками, где
Разница электрических потенциалов
Разность электрических потенциалов между точками A и B , \ (V_B — V_A \) определяется как изменение потенциальной энергии заряда q , перемещенного с A на B , разделенное по заряду.Единицами разности потенциалов являются джоули на кулон, получившие название вольт (В) в честь Алессандро Вольта.
\ [1 \, V = 1 \, J / C \ label {eq0} \]
Знакомый термин напряжение — это общее название разности электрических потенциалов. Имейте в виду, что всякий раз, когда указывается напряжение, под ним понимается разность потенциалов между двумя точками. Например, каждая батарея имеет две клеммы, а ее напряжение — это разность потенциалов между ними. По сути, точка, которую вы выбираете как ноль вольт, произвольна.Это аналогично тому факту, что гравитационная потенциальная энергия имеет произвольный ноль, например, на уровне моря или, возможно, на полу лекционного зала. Стоит подчеркнуть различие между разностью потенциалов и электрической потенциальной энергией.
Разность потенциалов и электрическая потенциальная энергия
Связь между разностью потенциалов (или напряжением) и электрической потенциальной энергией определяется формулой
.\ [\ Delta V = \ dfrac {\ Delta U} {q} \ label {eq1} \]
или
\ [\ Delta U = q \ Delta V.\ label {eq2} \]
Напряжение — это не то же самое, что энергия. Напряжение — это энергия на единицу заряда. Таким образом, аккумулятор мотоцикла и автомобильный аккумулятор могут иметь одинаковое напряжение (точнее, одинаковую разность потенциалов между клеммами аккумулятора), но один хранит гораздо больше энергии, чем другой, потому что \ (\ Delta U = q \ Delta V \) . Автомобильный аккумулятор может заряжать больше, чем аккумулятор мотоцикла, хотя оба аккумулятора — 12 В.
Пример \ (\ PageIndex {1} \): расчет энергии
У вас 12.0-В мотоциклетный аккумулятор, способный переносить заряд 5000 C, и автомобильный аккумулятор 12.0 В, способный перемещать 60 000 C. Сколько энергии дает каждый? (Предположим, что числовое значение каждого заряда соответствует трем значащим цифрам.)
Стратегия
Сказать, что у нас батарея на 12,0 В, означает, что на ее выводах разность потенциалов составляет 12,0 В. Когда такая батарея перемещает заряд, она пропускает заряд через разность потенциалов 12,0 В, и заряд получает изменение потенциальной энергии, равное \ (\ Delta U = q \ Delta V \).5 \, J. \ nonumber \]
Значение
Напряжение и энергия связаны, но это не одно и то же. Напряжения батарей одинаковы, но энергия, подаваемая каждым из них, совершенно разная. Автомобильный аккумулятор требует запуска гораздо более мощного двигателя, чем мотоцикл. Также обратите внимание, что когда аккумулятор разряжается, часть его энергии используется внутри, а напряжение на его клеммах падает, например, когда фары тускнеют из-за разряда автомобильного аккумулятора. Энергия, подаваемая батареей, по-прежнему рассчитывается, как в этом примере, но не вся энергия доступна для внешнего использования.
Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)
Сколько энергии у 1,5-В батареи AAA, которая может нагреться до 100 градусов Цельсия?
- Ответ
\ (\ Delta U = q \ Delta V = (100 \, C) (1.5 \, V) = 150 \, J \)
Обратите внимание, что энергии, вычисленные в предыдущем примере, являются абсолютными значениями. Изменение потенциальной энергии для аккумулятора отрицательное, так как он теряет энергию. Эти батареи, как и многие другие электрические системы, действительно перемещают отрицательный заряд — в частности, электроны.Батареи отталкивают электроны от своих отрицательных выводов ( A ) через любую задействованную схему и притягивают их к своим положительным выводам ( B ), как показано на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Изменение потенциала равно \ (\ Delta V = V_B — V_A = +12 \, V \), а заряд q отрицательный, так что \ (\ Delta U = q \ Delta V \) отрицательный, что означает потенциальная энергия батареи уменьшилась, когда q переместилось с A на B .
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Аккумулятор перемещает отрицательный заряд от отрицательного вывода через фару к положительному выводу. Соответствующие комбинации химических веществ в батарее разделяют заряды, так что отрицательный вывод имеет избыток отрицательного заряда, который отталкивается им и притягивается к избыточному положительному заряду на другом выводе. С точки зрения потенциала положительный вывод имеет более высокое напряжение, чем отрицательный. Внутри аккумулятора движутся как положительные, так и отрицательные заряды.Пример \ (\ PageIndex {2} \): Сколько электронов проходит через фару каждую секунду?
Когда автомобильный аккумулятор на 12,0 В питает одну фару мощностью 30,0 Вт, сколько электронов проходит через нее каждую секунду?
Стратегия
Чтобы узнать количество электронов, мы должны сначала найти заряд, который перемещается за 1,00 с. Перемещаемый заряд связан с напряжением и энергией через уравнения \ (\ Delta U = q \ Delta V \). Лампа мощностью 30,0 Вт потребляет 30,0 джоулей в секунду. Поскольку батарея теряет энергию, мы имеем \ (\ Delta U = — 30 \, J \) и, поскольку электроны переходят от отрицательной клеммы к положительной, мы видим, что \ (\ Delta V = +12.0 \, V \).
Решение
Чтобы найти заряд на перемещенных, мы решаем уравнение \ (\ Delta U = q \ Delta V \):
\ [q = \ dfrac {\ Delta U} {\ Delta V}. \]
Вводя значения для \ (\ Delta U \) и \ (\ Delta V \), получаем
\ [q = \ dfrac {-30.0 \, J} {+ 12.0 \, V} = \ dfrac {-30.0 \, J} {+ 12.0 \, J / C} = -2,50 \, C. \]
Число электронов \ (n_e \) — это общий заряд, деленный на заряд одного электрона. То есть
\ [n_e = \ dfrac {-2.{19} \, электрон. \]
Значение
Это очень большое количество. Неудивительно, что мы обычно не наблюдаем отдельные электроны, так много которых присутствует в обычных системах. Фактически, электричество использовалось в течение многих десятилетий, прежде чем было установлено, что движущиеся заряды во многих обстоятельствах были отрицательными. Положительный заряд, движущийся в направлении, противоположном отрицательному, часто производит идентичные эффекты; это затрудняет определение того, что движется или оба движутся.{19} \, электроны \)
Электрон-вольт
Энергия, приходящаяся на один электрон, очень мала в макроскопических ситуациях, подобных тому, что было в предыдущем примере — крошечная доля джоуля. Но в субмикроскопическом масштабе такая энергия, приходящаяся на частицу (электрон, протон или ион), может иметь большое значение. Например, даже крошечной доли джоуля может быть достаточно, чтобы эти частицы разрушили органические молекулы и повредили живые ткани. Частица может нанести ущерб при прямом столкновении или может создать опасные рентгеновские лучи, которые также могут нанести ущерб.Полезно иметь единицу энергии, относящуюся к субмикроскопическим эффектам.
На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показана ситуация, связанная с определением такой единицы энергии. Электрон ускоряется между двумя заряженными металлическими пластинами, как это могло бы быть в телевизионной лампе или осциллографе старой модели. Электрон приобретает кинетическую энергию, которая позже преобразуется в другую форму — например, в свет в телевизионной трубке. (Обратите внимание, что с точки зрения энергии «спуск» для электрона означает «подъем» для положительного заряда.) Поскольку энергия связана с напряжением соотношением \ (\ Delta U = q \ Delta V \), мы можем рассматривать джоуль как кулон-вольт.
Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Типичная электронная пушка ускоряет электроны, используя разность потенциалов между двумя отдельными металлическими пластинами. По закону сохранения энергии кинетическая энергия должна равняться изменению потенциальной энергии, так что \ (KE = qV \). Энергия электрона в электрон-вольтах численно равна напряжению между пластинами. Например, разность потенциалов 5000 В производит электроны с энергией 5000 эВ.{-19} \, J. \]Электрону, ускоренному через разность потенциалов 1 В, придается энергия 1 эВ. Отсюда следует, что электрон, ускоренный до 50 В, приобретает 50 эВ. Разность потенциалов 100 000 В (100 кВ) дает электрону энергию 100 000 эВ (100 кэВ) и так далее. Точно так же ион с двойным положительным зарядом, ускоренный до 100 В, получает 200 эВ энергии. Эти простые соотношения между ускоряющим напряжением и зарядами частиц делают электрон-вольт простой и удобной единицей энергии в таких обстоятельствах.
Электрон-вольт обычно используется в субмикроскопических процессах — химическая валентная энергия, молекулярная и ядерная энергия связи входят в число величин, часто выражаемых в электрон-вольтах. Например, для разрушения некоторых органических молекул требуется около 5 эВ энергии. Если протон ускоряется из состояния покоя через разность потенциалов 30 кВ, он приобретает энергию 30 кэВ (30 000 эВ) и может разрушить до 6000 таких молекул \ ((30 000 \, эВ \,: \, 5 \, эВ \, на \, молекула = 6000 \, молекул) \).Энергия ядерного распада составляет порядка 1 МэВ (1000000 эВ) на событие и, таким образом, может нанести значительный биологический ущерб.
Сохранение энергии
Полная энергия системы сохраняется, если нет чистого добавления (или вычитания) из-за работы или теплопередачи. Для консервативных сил, таких как электростатическая сила, закон сохранения энергии утверждает, что механическая энергия постоянна.
Механическая энергия — это сумма кинетической энергии и потенциальной энергии системы; то есть \ (K + U = константа \).Потеря U для заряженной частицы становится увеличением ее K . Сохранение энергии выражается в форме уравнения как
\ [K + U = константа \] или \ [K_i + U_i = K_f + U_f \]
, где i и f обозначают начальные и конечные условия. Как мы уже много раз выясняли, учет энергии может дать нам понимание и облегчить решение проблем.
Пример \ (\ PageIndex {3} \): электрическая потенциальная энергия преобразована в кинетическую энергию
Вычислите конечную скорость свободного электрона, ускоренного из состояния покоя через разность потенциалов 100 В.6 \, м / с. \]
Значение
Обратите внимание, что и заряд, и начальное напряжение отрицательны, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Из обсуждения электрического заряда и электрического поля мы знаем, что электростатические силы, действующие на мелкие частицы, обычно очень велики по сравнению с силой тяжести. Большая конечная скорость подтверждает, что гравитационная сила здесь действительно незначительна. Большая скорость также указывает на то, насколько легко ускорить электроны с помощью малых напряжений из-за их очень малой массы.В электронных пушках обычно используются напряжения, намного превышающие 100 В. Эти более высокие напряжения вызывают настолько большие скорости электронов, что необходимо учитывать эффекты специальной теории относительности, которые будут обсуждаться в другом месте. Вот почему в этом примере мы рассматриваем низкое напряжение (точно).
Упражнение \ (\ PageIndex {3} \)
Как этот пример изменится с позитроном? Позитрон идентичен электрону, за исключением того, что заряд положительный. 2 } \ hat {r} \).2} dr = \ dfrac {kq} {r} — \ dfrac {kq} {\ infty} = \ dfrac {kq} {r}. \]
Этот результат,
\ [V_r = \ dfrac {kq} {r} \]
— это стандартная форма потенциала точечного заряда. Это будет подробнее рассмотрено в следующем разделе.
Чтобы изучить еще один интересный частный случай, предположим, что однородное электрическое поле \ (\ vec {E} \) создается путем размещения разности потенциалов (или напряжения) \ (\ Delta V \) на двух параллельных металлических пластинах, обозначенных A и B (Рисунок \ (\ PageIndex {3} \)).Изучение этой ситуации покажет нам, какое напряжение необходимо для создания определенной напряженности электрического поля. Это также покажет более фундаментальную взаимосвязь между электрическим потенциалом и электрическим полем.
Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): соотношение между V и E для параллельных проводящих пластин равно \ (E = V / d \). (Обратите внимание, что по величине \ (\ Delta V = V_ {AB} \). Для заряда, который перемещается от пластины A при более высоком потенциале к пластине B при более низком потенциале, необходимо включить знак минус следующим образом : \ (- \ Delta V = V_A — V_B = V_ {AB} \).)С точки зрения физика, \ (\ Delta V \) или \ (\ vec {E} \) можно использовать для описания любого взаимодействия между зарядами. Однако \ (\ Delta V \) является скалярной величиной и не имеет направления, тогда как \ (\ vec {E} \) является векторной величиной, имеющей как величину, так и направление. (Обратите внимание, что величина электрического поля, скалярная величина, представлена как E .) Связь между \ (\ Delta V \) и \ (\ vec {E} \) выявляется путем вычисления работы, выполняемой электрическая сила при перемещении заряда из точки A в точку B .Но, как отмечалось ранее, произвольное распределение заряда требует расчетов. Поэтому мы рассматриваем однородное электрическое поле как интересный частный случай.
Работа, совершаемая электрическим полем на рисунке \ (\ PageIndex {3} \) по перемещению положительного заряда q из A , положительная пластина, более высокий потенциал, к B , отрицательная пластина, более низкий потенциал. , это
\ [W = — \ Delta U = — q \ Delta V. \]
Разница потенциалов между точками A и B составляет
\ [- \ Delta V = — (V_B — V_A) = V_A — V_B = V_ {AB}.\]
Если ввести это в выражение для работы, получится
\ [W = qV_ {AB}. \]
Работа равна \ (W = \ vec {F} \ cdot \ vec {d} = Fd \, cos \, \ theta \): здесь \ (cos \, \ theta = 1 \), поскольку путь параллелен поле. Таким образом, \ (W = Fd \). Поскольку \ (F = qE \), мы видим, что \ (W = qEd \).
Подстановка этого выражения для работы в предыдущее уравнение дает
\ [qEd = qV_ {AB}. \]
Заряд отменяется, поэтому для напряжения между точками A и B получаем .
Только в однородном E-поле: \ [V_ {AB} = Ed \] \ [E = \ dfrac {V_ {AB}} {d} \], где d — это расстояние от A до B , или расстояние между пластинами на рисунке \ (\ PageIndex {3} \). Обратите внимание, что это уравнение подразумевает, что единицы измерения электрического поля — вольты на метр. Мы уже знаем, что единицы измерения электрического поля — ньютоны на кулон; таким образом, верно следующее соотношение между единицами:
\ [1 \, N / C = 1 \, В / м. \]
Кроме того, мы можем продолжить это до интегральной формы.B \ vec {E} \ cdot d \ vec {l}. \]
В качестве демонстрации из этого мы можем вычислить разность потенциалов между двумя точками ( A и B ), равноудаленными от точечного заряда q в начале координат, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {4} \) . 2} \ hat {r} \).6 В / м \). Выше этого значения поле создает достаточную ионизацию в воздухе, чтобы сделать воздух проводником. Это допускает разряд или искру, которые уменьшают поле. Каково же максимальное напряжение между двумя параллельными проводящими пластинами, разделенными 2,5 см сухого воздуха?
Стратегия
Нам дано максимальное электрическое поле E между пластинами и расстояние d между ними. Мы можем использовать уравнение \ (V_ {AB} = Ed \) для вычисления максимального напряжения.4 \, V \] или \ [V_ {AB} = 75 \, kV. \]
(Ответ состоит только из двух цифр, поскольку максимальная напряженность поля является приблизительной.)
Значение
Одним из следствий этого результата является то, что требуется около 75 кВ, чтобы совершить скачок искры через зазор размером 2,5 см (1 дюйм), или 150 кВ для искры 5 см. Это ограничивает напряжения, которые могут существовать между проводниками, возможно, на линии электропередачи. Меньшее напряжение может вызвать искру, если на поверхности есть шипы, поскольку острые точки имеют большую напряженность поля, чем гладкие поверхности.Влажный воздух разрушается при более низкой напряженности поля, а это означает, что меньшее напряжение заставит искру проскочить через влажный воздух. Наибольшие напряжения могут создаваться статическим электричеством в засушливые дни (рис. \ (\ PageIndex {5} \)).
Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Искровая камера используется для отслеживания траекторий частиц высоких энергий. Ионизация, создаваемая частицами при прохождении через газ между пластинами, позволяет искре прыгнуть. Искры расположены перпендикулярно пластинам, следуя силовым линиям электрического поля между ними.Разность потенциалов между соседними пластинами недостаточно высока, чтобы вызвать искры без ионизации, производимой частицами из экспериментов с ускорителем (или космическими лучами). Эта форма детектора сейчас устарела и больше не используется, кроме как в демонстрационных целях. (кредит b: модификация работы Джека Коллинза)Пример \ (\ PageIndex {1B} \): Поле и сила внутри электронной пушки
Электронная пушка (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)) имеет параллельные пластины, разделенные расстоянием 4,00 см, и дает 25 электронов.0 кэВ энергии. а) Какова напряженность электрического поля между пластинами? б) Какую силу это поле окажет на кусок пластика с зарядом \ (0,500- \ мкКл), который проходит между пластинами?
Стратегия
Поскольку напряжение и расстояние между пластинами указаны, напряженность электрического поля может быть вычислена непосредственно из выражения \ (E = \ frac {V_ {AB}} {d} \). Как только мы узнаем напряженность электрического поля, мы можем найти силу, действующую на заряд, используя \ (\ vec {F} = q \ vec {E} \).Поскольку электрическое поле имеет только одно направление, мы можем записать это уравнение в терминах величин, \ (F = qE \).
Решение
а. Выражение для величины электрического поля между двумя однородными металлическими пластинами равно
.\ [E = \ dfrac {V_ {AB}} {d}. \] Поскольку электрон является однозарядным, и ему дается энергия 25,0 кэВ, разность потенциалов должна составлять 25,0 кВ. Вводя это значение для \ (V_ {AB} \) и расстояния между плитами 0,0400 м, получаем \ [E = \ frac {25.5 В / м) = 0,313 \, Н. \]
Значение Обратите внимание, что единицы измерения — ньютоны, поскольку \ (1 \, V / m = 1 \, N / C \). Поскольку электрическое поле между пластинами однородно, сила, действующая на заряд, одинакова независимо от того, где находится заряд между пластинами.
Пример \ (\ PageIndex {4C} \): расчет потенциала точечного заряда
Учитывая точечный заряд \ (q = + 2,0-n C \) в начале координат, вычислите разность потенциалов между точкой \ (P_1 \) на расстоянии \ (a = 4,0 \, см \) от q и \ (P_2 \) расстояние \ (b = 12.2} \ hat {r} \ cdot r \ hat {\ varphi} d \ varphi \), но \ (\ hat {r} \ cdot \ hat {\ varphi} = 0 \) и, следовательно, \ (\ Delta V = 0 \). Складывая две части вместе, получаем 300 В.
Значение
Мы продемонстрировали использование интегральной формы разности потенциалов для получения численного результата. Обратите внимание, что в этой конкретной системе мы могли бы также использовать формулу для потенциала из-за точечного заряда в двух точках и просто взять разницу.
Упражнение \ (\ PageIndex {4} \)
Из приведенных примеров, как энергия удара молнии зависит от высоты облаков над землей? Считайте систему облако-земля двумя параллельными пластинами.
- Ответ
При фиксированной максимальной напряженности электрического поля потенциал, при котором происходит удар, увеличивается с увеличением высоты над землей. Следовательно, каждый электрон будет переносить больше энергии. Определение того, есть ли влияние на общее количество электронов, предстоит определить в будущем.
Прежде чем описывать проблемы, связанные с электростатикой, мы предлагаем стратегию решения проблем, которой следует придерживаться для этой темы.
Стратегия решения проблем: электростатика
- Изучите ситуацию, чтобы определить, присутствует ли статическое электричество; это может касаться отдельных стационарных зарядов, сил между ними и создаваемых ими электрических полей.
- Определите интересующую систему. Это включает в себя указание количества, местоположения и типов связанных сборов.
- Точно определите, что необходимо определить в проблеме (определите неизвестные). Письменный список полезен. Определите, следует ли рассматривать кулоновскую силу напрямую — если да, может быть полезно нарисовать диаграмму свободного тела, используя силовые линии электрического поля.
- Составьте список того, что дано или может быть выведено из проблемы, как указано (укажите известные).Например, важно отличать кулоновскую силу F от электрического поля E .
- Решите соответствующее уравнение для количества, которое необходимо определить (неизвестное), или нарисуйте линии поля, как требуется.
- Изучите ответ, чтобы увидеть, разумен ли он: имеет ли он смысл? Правильные ли единицы и разумные ли числа?
Авторы и авторство
Сэмюэл Дж. Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами.Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).
Преобразователь электрического потенциала и напряжения • Электротехника • Определения единиц измерения • Онлайн-преобразователи единиц измерения
Определения единиц для преобразователя электрического потенциала и преобразователя напряжения
Конвертер длины и расстоянияПреобразователь массыКонвертер объема сухого воздуха и общих измерений при варкеПреобразователь площадиПреобразователь объёма и общего измерения при варкеПреобразователь температурыПреобразователь давления, напряжения, модуля ЮнгаПреобразователь энергии и работыПреобразователь силыКонвертер силыКонвертер времениЛинейный конвертер скорости и скоростиКонвертер углового расходаПреобразователь топливной эффективности, расхода топлива и информации о расходе топливаКонвертер единиц Хранение данныхКурсы обмена валютЖенская одежда и размеры обувиМужская одежда и размеры обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаПреобразователь момента инерцииПреобразователь момента силыКонвертер крутящего моментаПреобразователь удельной энергии, теплоты сгорания (на единицу температуры на массу) Конвертер удельной энергии Преобразователь интерваловКонвертер коэффициента теплового расширенияПреобразователь теплового сопротивленияПреобразователь теплопроводности Конвертер удельной теплоемкости terПлотность тепла, плотность пожарной нагрузкиКонвертер плотности теплового потокаПреобразователь коэффициента теплопередачиКонвертер объемного расходаПреобразователь массового расходаМолярный расходомерКонвертер массового потока Конвертер скорости передачиКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофонаКонвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с выбираемым эталонным давлениемКонвертер яркостиКонвертер яркостиКонвертер яркостиКонвертер разрешения цифрового изображенияПреобразователь частоты и длины волныОптическая мощность (диоптрия) в преобразователь фокусного расстоянияПреобразователь оптической мощности (диоптрия) в увеличение (X) Конвертер электрического заряда Конвертер плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объёмной плотности заряда Конвертер электрического токаЛинейный преобразователь плотности токаПреобразователь плотности поверхностного токаПреобразователь напряженности электрического поляПреобразователь электрического потенциала и напряженияПреобразователь электрического сопротивленияПреобразователь электрического сопротивленияПреобразователь электрической проводимостиПреобразователь электрической проводимостиПреобразователь емкостиПреобразователь индуктивностиПреобразователь реактивной мощности переменного токаПреобразователь единиц магнитного поля в ваттах и дБм Конвертер плотности потока Конвертер мощности поглощенной дозы излучения, Конвертер мощности дозы полного ионизирующего излученияРадиоактивность.Конвертер радиоактивного распада Конвертер радиоактивного облученияРадиация. Конвертер поглощенной дозы Конвертер метрических префиксов Конвертер передачи данных Конвертер единиц типографии и цифрового изображения Конвертер единиц измерения объема древесиныКалькулятор молярной массыПериодическая таблица
вольтА вольт (В) — производная от системы СИ единица измерения электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов. По определению, один вольт — это разница в электрическом потенциале на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
милливольтмилливольт (мВ) — единица измерения электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов, производная от производной единицы в системе СИ. 1 мВ = 0,001 В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
микровольтмикровольт (мкВ) — это единица измерения электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов, производная от производной единицы системы СИ. 1 мкВ = 0,000001 В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
нановольтнановольт (нВ) — это десятичная дробь производной единицы системы СИ для электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов. 1 нВ = 10⁻⁹ В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
пиковольтA пиковольт (пВ) — это производная от системы СИ единица измерения электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов, дробная часть которой. 1 пВ = 10⁻¹² В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
киловольткиловольт (кВ) — производная единица системы СИ для электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов, кратного десятичной дроби. 1 кВ = 1000 В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
мегавольтмегавольт (МВ) — производная единица системы СИ, кратная электродвижущей силе, электрическому потенциалу (напряжению) и разности электрических потенциалов. 1 МВ = 10⁶ В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
гигавольтA гигавольт (ГВ) — это производная единица СИ для электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов, кратная производной в системе СИ. 1 ГВ = 10⁹ В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
теравольттеравольт (TV) — производная единица СИ для электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов, кратная производной единице СИ. 1 ТВ = 10¹² В. По определению, один вольт — это разность электрических потенциалов на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в один ньютон на кулон.
ватт / амперватт на ампер (Вт / А) равно вольту (В), который является производной единицей СИ для электродвижущей силы, электрического потенциала (напряжения) и разности электрических потенциалов. По определению, один вольт — это разница в электрическом потенциале на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.Он также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, которые создают электрическое поле в 1 ньютон на кулон.
abvoltAbvolt (abV) — это единица измерения электрического потенциала (напряжения), разности электрических потенциалов и электродвижущей силы в электромагнитной системе единиц cgs (сантиметр-грамм-секунда). 1 abV равен 10⁻⁸ вольт. Разность потенциалов в один АБ будет пропускать ток в один А через сопротивление в один АБ.Один эрг энергии необходим, чтобы переместить один абкулон заряда между двумя точками, имеющими разность потенциалов в один абвольт.
EMU электрического потенциалаЭлектромагнитный блок (EMU) электрического потенциала — другое название абвольта (abV) — блока электрического потенциала (напряжения), разности электрических потенциалов и электродвижущей силы в cgs (сантиметр-грамм). -второй) электромагнитная система агрегатов. 1 EMU электрического потенциала равен 10⁻⁸ вольт. Разность потенциалов в один АБ будет пропускать ток в один А через сопротивление в один АБ.Один эрг энергии необходим, чтобы переместить один абкулон заряда между двумя точками, имеющими разность потенциалов в один абвольт.
статвольтСтатвольт — это единица измерения электрического потенциала (напряжения), разности электрических потенциалов и электродвижущей силы в электростатической системе единиц cgs (сантиметр-грамм-секунда). 1 статвольт = 299,79 вольт. Разность потенциалов в один статВ будет пропускать ток в один статампер через сопротивление в один статом. Статвольт — это большая единица измерения, поэтому инженеры-электрики и электрики предпочитают использовать единицу СИ вместо вольт.
ESU электрического потенциалаЭлектростатическая единица измерения (ESU) электрического потенциала — это еще одно название статвольта — единица электрического потенциала (напряжения), разности электрических потенциалов и электродвижущей силы в cgs (сантиметр-грамм-секунда) электростатическая система агрегатов. Преобразование в систему СИ составляет 1 статвольт = 299,79 вольт. Разность потенциалов в один статВ будет пропускать ток в один статампер через сопротивление в один статом. Статвольт — это большая единица измерения, поэтому инженеры-электрики и электрики предпочитают использовать единицу СИ вместо вольт.
Планковское напряжениеПланковское напряжение (размерность напряжения L²MT⁻²Q⁻¹, где L — размерность длины, M — размерность массы, Q — размер заряда и T — размерность времени), является базовой единицей. напряжения в системе единиц Планка, равное 1,04295 × 10²⁷ В. Напряжение Планка можно определить с помощью фундаментальных физических констант.
Преобразование единиц измерения с помощью преобразователя электрического потенциала и напряжения Преобразователь
Есть ли у вас трудности с переводом единиц измерения на другой язык? Помощь доступна! Задайте свой вопрос в TCTerms , и вы получите ответ от опытных технических переводчиков в считанные минуты.
Диапазон напряжения элемента в зависимости от потенциала электрода в водяных суперконденсаторах
Целью данной работы является понимание поведения электродов, его корреляция и улучшение характеристик суперконденсатора с точки зрения конструкции и инженерии устройства. Поэтому мы предприняли как теоретические, так и экспериментальные исследования. Теоретические исследования, представленные в первых двух подразделах ниже, сосредоточены на понимании и уточнении ключевых параметров производительности, которые являются уникальными для суперконденсаторов, но не для батарей.Затем мы экспериментально проверяем теоретические представления и прогнозы для выбранных известных электродных материалов, используя наиболее часто используемый электрохимический метод, циклическую вольтамперометрию вместе с одновременным мониторингом электродного потенциала. Что касается других свойств выбранных материалов, они уже описаны в литературе, и соответствующие ссылки приведены в соответствующем обсуждении ниже.
Диапазон емкостных потенциалов (CPR)
В отличие от батарей, которые имеют относительно постоянное рабочее напряжение, напряжение суперконденсатора пропорционально количеству накопленного электрического заряда, т.е.е., U = Q / C. Полностью заряженное состояние суперконденсатора соответствует MCV, которое обычно определяется любой необратимой электродной реакцией, такой как разложение растворителя и необратимые окислительно-восстановительные реакции на одном из электродов. Последнее часто называют чрезмерным окислением или чрезмерным восстановлением окислительно-восстановительных активных материалов. Между нижним и верхним пределами потенциала есть область, в которой электрод ведет себя как конденсатор, например постоянный ток в циклической вольтамперометрии, который определяется как «диапазон емкостного потенциала» (CPR) электрода.
Как показано на рис. 1, нижний и верхний пределы потенциала отрицательного и положительного электродов обозначены как E N1 , E N2 , E P1 и E P2 соответственно. CPR отрицательного или положительного электрода составляет E N2 — E N1 или E P2 — E P1 соответственно. Во многих случаях существует перекрытие между CPR двух электродов, что соответствует E N2 > E P1 , что означает, что MCV суперконденсатора уже, чем сумма CPR двух электродов.В крайнем случае, CPR одного электрода покрывает или полностью включает CPR другого электрода. Его можно описать как E N1
Модель напряжения суперконденсатора.
Схематическое изображение максимального зарядного напряжения суперконденсатора (MCV), потенциала нулевого напряжения (PZV) и диапазона емкостных потенциалов электрода (CPR: E N2 — E N1 или E P2 — E P1 для отрицательного или положительный электрод соответственно).
Потенциал нулевого напряжения (PZV)
Когда суперконденсатор полностью разряжен, его напряжение равно нулю, если E N2 ≥ E P1 и потенциалы двух электродов равны. Этот потенциал определяется как «потенциал нулевого напряжения» (PZV) или эквипотенциал 17 . PZV влияет на кулоновский КПД и MCV суперконденсатора, но его трудно предсказать на практике. Для асимметричного суперконденсатора, если PZV — E N1 > E P2 — PZV и емкости двух электродов равны, MCV будет (E P2 — PZV) × 2 (рис.1). В этом случае положительный электрод является «электродом определения напряжения», поскольку MCV суперконденсатора определяется E P2 . Аналогично, если предел напряжения определяется нижним пределом потенциала отрицательного электрода, E N1 , тогда PZV — E N1
Предыдущее исследование показало, что MCV асимметричного суперконденсатора можно увеличить за счет увеличения емкости «электрода определения напряжения» по сравнению с емкостью другого электрода 16 .В таком случае емкости положительного и отрицательного электродов становятся неравными, что означает более низкую удельную емкость суперконденсатора. Однако увеличенное MCV обеспечивает большую удельную энергоемкость суперконденсатора 16,17 . Другие исследования также показали, что изменение соотношения масс положительного и отрицательного электродов может повлиять на MCV суперконденсатора 13,18 . Кроме того, было подтверждено, что эта стратегия неравенства емкости применима к суперконденсаторам из одного и того же материала, такого как углерод, как на положительном, так и на отрицательном электродах 17 .
Циклическая вольтамперометрия различных электродных материалов
В первой части наших экспериментальных исследований были выбраны и изучены для сравнения несколько известных электродных материалов, в том числе черный пигмент Cabot Monarch 1300 (CMPB) 6,16,17 , различные композиты УНТ с полианилином (PAN-CNT), полипирролом (PPY-CNT), поли [3,4-этилен-диокситиофеном] (PEDOT-CNT), диоксидом марганца (MnO 2 -CNT) и диоксидом олова (SnO 2 -CNT) 19,20 .Чтобы сравнить емкостное поведение и CPR этих электродных материалов, их циклические вольтамперограммы (CV) нормализованы, чтобы показать зависимость удельной емкости от потенциала, и наложены на рис. 2.
Рисунок 2Характеристики отдельных электродов.
Емкость — графики электродных потенциалов для PAN-CNT, PPY-CNT, PEDOT-CNT, активированного угля (CMPB: Cabot Monarch Pigment Black 1300), MnO 2 -CNT и SnO 2 -CNT. Электролит: 0,5 моль л -1 KCl или 1 моль л -1 HCl, как указано.Электрод сравнения: Ag / AgCl в 3 моль л -1 KCl. Круглые метки на некоторых CV указывают на стабильные потенциалы холостого хода соответствующих электродов, которые были измерены после погружения в электролит на срок до 4 часов.
Для достижения одинаковой емкости на положительном и отрицательном электродах количество материала электрода должно быть обратно пропорционально его удельной емкости, то есть C P × m P = C N × m N , где C P и C N — удельные емкости (Ф / г), а m P и m N — массы (г) материалов положительного и отрицательного электродов, соответственно.Масса электроосажденного композита проводящий полимер-УНТ пропорциональна заряду осаждения, который, следовательно, указан ниже как пропорциональный индикатор массовой нагрузки на электрод 19 .
Все CV на рис. 2 имеют приблизительно прямоугольную форму с увеличением тока на верхнем и / или нижнем пределе потенциала. Прямоугольный CV соответствует емкостному поведению, которое определяет «CPR», как упомянуто выше. Увеличение тока на верхнем или нижнем пределе потенциала указывает на неемкостные электродные процессы из-за изменений либо в электролите, либо в электроде, либо в обоих.Дальнейшее расширение диапазона потенциалов за пределы может привести к потере емкости во время повторяющихся циклов заряда-разряда. Для CMPB положительный и отрицательный потенциальные пределы — это выделение кислорода и водорода соответственно. Следовательно, как показано на рис. 2, электрод CMPB работает при меньшем отрицательном потенциале (-0,6 В) в кислой HCl из-за высокой концентрации протонов, чем в нейтральном электролите KCl (-0,8 В). Пределы отрицательного потенциала проводящих полимеров определяются либо реакцией выделения водорода, либо проводящими полимерами, становящимися изолирующими в нелегированном состоянии.Пределы положительного потенциала проводящих полимеров определяются выделением кислорода или необратимым переокислением полимера. Например, PAN окисляется до пернигранилина при очень положительных потенциалах, и его емкость уменьшается при циклическом изменении потенциала 16 . CPR MnO 2 ограничивается выделением кислорода и образованием Mn 2+ при положительном и отрицательном порогах соответственно. Из выбранных материалов SnO 2 и его композит УНТ являются единственными материалами, которые демонстрируют псевдоемкость в относительно отрицательном диапазоне потенциалов (-0.8 ~ 0 В) 20 и их CPR имеют E N1 , сравнимый с таковым у CMPB. CPR двух других исследованных материалов, то есть PPY-CNT и PEDOT-CNT, попадают в средний диапазон потенциального окна, исследованного на рис. 2. Таким образом, MnO 2 , PAN и их композиты с CNT более благоприятны для положительный электрод в суперконденсаторе, в то время как CMPB и SnO 2 или его композит УНТ более подходят в качестве материалов отрицательного электрода. Для дальнейшего изучения MCV суперконденсаторов с различными комбинациями этих электродных материалов был изготовлен суперконденсатор типа трубка-ячейка, как показано на вставке к рис.3а 17,21 .
Рисунок 3Напряжения симметричных суперконденсаторов.
Циклические вольтамперограммы симметричных суперконденсаторов с электродами из электроосажденного (а, б) ПАН-УНТ в 1,0 моль л -1 HCl (заряд осаждения: 3,0 Кл, скорость развертки напряжения: 5 мВ с -1 ), (г ) PPY-CNT (сплошная линия, 2,8 C, 5 мВ с -1 ) и PEDOT-CNT (пунктирная линия, 3,0 C, 10 мВ с -1 ) в 0,5 моль л -1 KCl. Электроды из ПАН-УНТ были свежими на (а) и состаренными в разомкнутой цепи в течение 4 часов на (б).(c) Электродный потенциал положительного электрода, зарегистрированный одновременно с первым циклом CV на (b). Вставки на (а): фотографии электрода из ПАН-УНТ (демонстрирующие электроосажденное покрытие из ПАН-УНТ на графитовом диске диаметром 6 мм) и суперконденсатора трубчатой ячейки.
Потенциал холостого хода (OCP) электрода — еще один важный фактор, влияющий на характеристики суперконденсаторов. Были измерены стабильные ОСР различных электродов, которые показали следующие значения: 0,484 В для PAN-CNT, 0.290 В для PPY-CNT, 0,296 В для PEDOT-CNT, 0,365 и 0,466 В для CMPB в KCl и HCl соответственно. Эти значения OCP также отмечены на рис. 2. Интересно, что ни одно из значений OCP не находится в середине их соответствующего CPR. Подробное обсуждение взаимосвязи между OCP и напряжением ячейки будет предоставлено в следующих двух разделах этой статьи.
Симметричные суперконденсаторы
Суперконденсаторы с трубчатой ячейкой сначала были симметричными и состояли из электродов из композитов проводящий полимер-УНТ, нанесенных методом электроосаждения.На вставке к рис. 3а представлена фотография электрода с толстым электроосажденным покрытием ПАН-УНТ. CV трубки-ячейки с двумя идентичными электродами из PAN-CNT показаны на рис. 3а для свежеприготовленных электродов и на рис. 3b для электродов, которые были выдержаны в электролите в течение примерно 4 часов в условиях разомкнутой цепи. Достаточно прямоугольная форма этих CV свидетельствует о хороших кинетических и массопереносных свойствах электрода для емкостного накопления заряда. MCV симметричного суперконденсатора обычно не шире CPR каждого из двух его электродов.Это согласуется между CPR (0,1 ~ 0,7 В относительно Ag / AgCl) электрода PAN-CNT, как показано на рис. 2, и MCV (0,65 В) симметричного суперконденсатора PAN-CNT, показанного на обоих рис. 3a. и 3b. В идеале PZV симметричного суперконденсатора должен находиться в середине CPR электрода, но это не всегда так, поскольку это будет обсуждаться позже.
В таблице 1 сравниваются MCV симметричных суперконденсаторов с PAN-CNT, PPY-CNT, PEDOT-CNT и CMPB, а в литературе сообщается о MnO 2 -CNT 22 .Все они хорошо согласуются с CPR соответствующих электродов. Поскольку электроды в симметричном суперконденсаторе идентичны, нет необходимости различать положительные и отрицательные клеммы, что дает такие преимущества, как простота изготовления и использования. Однако для достижения более высоких напряжений асимметричная конструкция может быть более выгодной.
Таблица 1 Диапазон емкостных потенциалов положительного и отрицательного электрода, CPR + и CPR — (в сравнении с Ag / AgCl) и максимальное напряжение зарядки суперконденсатора, MCVАсимметричные суперконденсаторы с равными емкостями электродов
Как показано на рис.2, CMPB является хорошим отрицательным электродом для работы вместе с псевдоемкостным положительным электродом. Таким образом, асимметричные суперконденсаторы типа трубка-ячейка были сконструированы из CMPB и проводящего композита полимер-УНТ в качестве материалов отрицательного и положительного электродов соответственно. В соответствии с соглашением емкости двух электродов были уравновешены. Типичные результаты тестирования таких асимметричных трубчатых ячеек представлены на рис. 4, подтверждая ожидаемые большие MCV. Например, асимметричный суперконденсатор «ПАН-УНТ (+) | HCl | CMPB (-) ”имел MCV 1 В (рис.4a), что заметно выше, чем у симметричного конденсатора PAN-CNT, которое составляет около 0,65 В, как показано на рис. 3b.
Рисунок 4Напряжения асимметричных суперконденсаторов.
Циклические вольтамперограммы асимметричных суперконденсаторов (а) 900 мкС PAN-CNT (+) | 1,0 моль л -1 HCl | 2 мг CMPB (-), (b) 630 мС PPY-CNT (+) | 0,5 моль л −1 KCl | 1 мг CMPB (-) и (c) 3 C PEDOT-CNT (+) | 0,5 моль л -1 KCl | 1,7 мг CMPB (-). Скорости развертки напряжения: (а) 10, (б) 20 и (в) 10 мВ с -1 соответственно.
MnO 2 имеет более положительный диапазон потенциалов, чем другие электродные материалы в нейтральных водных электролитах. Асимметричные суперконденсаторы с положительным электродом MnO 2 продемонстрировали высокие MCV 2,0, 1,7 и 1,8 В с активированным углем 5 , SnO 2 -CNT 20 и PEDOT-CNT 4 в качестве отрицательного электрода, соответственно. . Все эти высокие MCV достижимы, учитывая хорошо разделенные CPR выбранных положительного и отрицательного электродов (рис.2). Недавние обзоры на MnO 2 также показали высокие MCV в асимметричных суперконденсаторах с положительными электродами MnO 2 и нейтральными водными электролитами 14,15 .
Не все асимметричные клетки, перечисленные в таблице 1, показали повышенное MCV. Как показано на рис. 4 и в таблице 1, асимметричный суперконденсатор «ПЭДОТ-УНТ (+) | KCl | CMPB (-) »и« PPY-CNT (+) | KCl | CMPB (-) »продемонстрировал лишь небольшое увеличение MCV или его отсутствие по сравнению с их симметричными аналогами.Более подробно эти случаи обсуждаются в следующих разделах.
Начальные электродные потенциалы и процесс кондиционирования электродов
Как указано в таблице 1, MCV асимметричных суперконденсаторов обычно больше, чем у симметричных аналогов. Это увеличение можно в целом отнести к использованию другого материала для отрицательного электрода, при этом его CPR фактически является продолжением отрицательной стороны CPR положительного электрода. Однако также очевидно, что для всех протестированных суперконденсаторов E N2 > E P1 , т.е.е. существует перекрытие между CPR положительного и отрицательного электродов. В таких случаях необходимо понимать PZV и его влияние на характеристики суперконденсатора.
Стоит отметить, что в PZV, особенно после одного или нескольких циклов зарядки-разрядки, каждый из двух электродных материалов в суперконденсаторе находится в состоянии, которое не обязательно совпадает с состоянием материала в недавно построенном суперконденсаторе. Другими словами, перед любым испытанием заряда-разряда потенциалы двух электродов, скорее всего, будут далеко от PZV.Например, недавно электроосажденный композит PAN-CNT всегда находится в окисленном состоянии, то есть его потенциал разомкнутой цепи равен или близок к 0,7 В относительно Ag / AgCl, как показано на рис. 2 (это E P2 PAN -CNT композит). Когда два таких электрода собраны в симметричном суперконденсаторе трубчатой ячейки, напряжение холостого хода элемента может быть равным или близким к 0 В, потому что оба электрода имеют одинаковый потенциал, то есть 0,7 В, когда композит полностью окислен или заряжен. Эта ситуация значительно отличается от ситуации в полностью заряженном суперконденсаторе PAN-CNT, в котором положительный электрод полностью окислен (0.7 В на рис. 2), а отрицательный электрод полностью восстановлен (0,1 В), или в полностью разряженном суперконденсаторе, в котором как положительный, так и отрицательный электроды находятся в одном и том же частично окисленном состоянии (около 0,4 В на рис. , что в идеале является PZV). Однако свежеосажденный ПАН-УНТ (и другие), вероятно, находится в термодинамически нестабильном состоянии (более положительные потенциалы) и может перейти в более стабильное состояние (менее положительные потенциалы), например, посредством релаксации структуры и перераспределения заряда или взаимодействий. с электролитом или с обоими.В результате, если симметричный суперконденсатор оставить на длительный период времени, оба электрода достигнут более стабильных значений OCP, которые могут быть близкими или такими же, как у PZV, после первого цикла заряда-разряда. Для симметричного суперконденсатора PAN-CNT на рис. 3b OCP обоих электродов после старения в разомкнутой цепи было измерено как 0,483 В. Чтобы лучше понять изменение потенциала электрода во время зарядки и разрядки, потенциал положительного электрода был одновременно записан в ход записи резюме и график на рисунке 3c.Очень интересно, что в конце первого цикла напряжения потенциал электрода изменился с 0,483 В до 0,455 В. Эти значения были эквивалентны PZV, поскольку напряжение элемента было нулевым в начале и в конце цикла напряжения.
На практике описанная выше ситуация, кажется, имеет незначительное влияние на исследования суперконденсаторов, поскольку, насколько известно авторам, никогда не упоминалась в литературе. В принципе, чтобы заставить новый симметричный суперконденсатор PAN-CNT работать, один из двух электродов PAN-CNT должен быть сначала полностью разряжен или восстановлен, что требует реакции окисления на другом электроде PAN-CNT.Поскольку другой электрод из PAN-CNT уже полностью окислен для емкостной зарядки, дальнейшее окисление может происходить только за счет неемкостного переноса заряда, такого как чрезмерное окисление PAN-CNT и / или окисление компонента электролита, например H 2 O.
Чтобы проверить приведенный выше анализ и прогноз, стоит еще раз взглянуть на два последовательных CV на рис. 3a, которые были получены на недавно построенном симметричном суперконденсаторе типа трубчатая ячейка из PAN-CNT. В начале сканирования напряжения (первый цикл, около 0 В) можно увидеть высокий отрицательный (разрядный) ток, который быстро уменьшился до того, как CV стал прямоугольным.Этот начальный большой отрицательный ток является убедительным доказательством вышеупомянутого прогноза, что отрицательный один из двух новых электродов PAN-CTN должен быть сначала уменьшен (разряжен) вместе с неемкостной переносом заряда на другом. Аналогичный процесс действительно наблюдался на ЦВА первого цикла всех симметричных суперконденсаторов со свежеосажденными проводящими полимерами. Когда при сканировании напряжение увеличивалось дальше, ток прошел через ноль, а затем стал положительным, что больше похоже на заряд суперконденсатора.Обратите внимание, что во втором цикле CV отсутствовал необычно большой отрицательный ток около 0 В, наблюдаемый в первом цикле CV, и форма CV была более прямоугольной. Эти различия между CV первого и второго цикла предполагают изменения состояния обоих электродов. Для удобства обсуждения это начальное изменение посредством как емкостной (разрядной), так и не емкостной передачи заряда в суперконденсаторе называется «кондиционированием электрода», которое приводит начальные потенциалы двух электродов к PZV в полностью разряженном состоянии.
Интересно, что зарядный (положительный) ток первого цикла CV на рис. 3a заметно больше, чем у второго цикла. Это можно интерпретировать как продолжение процесса кондиционирования при более высоких напряжениях. Это связано с тем, что в первой половине сканирования напряжения (от 0 до 0,65 В) один из электродов (1 st ) был уменьшен, но другой электрод (2 st ) оставался полностью заряженным, что позволяло не заряжать электроды. емкостной перенос заряда. Во второй половине развертки напряжения (0.65 до 0 В), однако началось восстановление электрода 2 -й , хотя не было необходимости в неемкостном окислении электрода 1 -й , который уже был «кондиционирован». Расчет показал, что положительный и отрицательный заряды (Q + и Q — ) составляли 1,44 и 1,00 мКл во время первого цикла напряжения и стали 1,17 и 1,05 мКл во втором цикле. Кулоновский КПД увеличился с 69,4% до 89,7%. Эти различия ясно демонстрируют кондиционирующий эффект первого цикла, который должен был быть ответственным за переход двух электродов в состояние PZV, которое должно быть близко к середине CPR PAN-CNT.Следует отметить, что этот процесс кондиционирования происходит за счет неемкостных изменений электрода или электролита. К счастью, такие неемкостные изменения кажутся химически обратимыми или незначительными, потому что суперконденсаторы все еще могут хорошо работать в соответствии с конструкцией. По этой причине было бы более разумным использовать второй цикл заряда-разряда для расчета емкости, чтобы избежать завышения.
Для CV на рис. 3b, аналогичные чертам на рис.3а, хотя и менее значимо, но может быть обнаружен и объяснен схожими причинами. На рис. 3в представлена одновременно зарегистрированная PZV положительного электрода. Можно видеть, что PZV изменился с 0,483 В до 0,455 В, приближаясь к среднему потенциалу CPR PAN-CNT. В результате можно ожидать увеличения кулоновской эффективности, и это действительно наблюдалось. Фактически, в конце второго цикла CV, PZV еще больше снизился до 0,437 (данные не показаны), значение, которое даже ближе к среднему потенциалу CPR.Эти результаты являются прямым доказательством потенциального эффекта кондиционирования во время первых или первых нескольких циклов заряда / разряда.
Максимальное напряжение заряда (MCV) при разных емкостях электродов
CV на рис. 3 и 4 обычно демонстрируют увеличение тока вблизи высоковольтного конца сканируемого окна напряжения, что указывает на некоторые необратимые процессы. Они служат эталоном MCV для создания и безопасной эксплуатации суперконденсаторов с различными типами электродов.На рис. 5 симметричный суперконденсатор PAN-CNT показал первоначально емкостные CV при MCV 0,65 и 0,68 В. В последнем случае энергоемкость была на 9% выше. Однако после 500 непрерывных циклов заряда-разряда спад тока был более серьезным при MCV, равном 0,68 В. Расчетное сохранение емкости составляло 81,2% и 77,4% при MCV, равном 0,65 и 0,68 В соответственно. Таким образом, существует компромисс между MCV и сроком службы суперконденсатора. Этот, казалось бы, простой, но важный факт редко упоминается в литературе 17,22 .Это предполагает, что для максимального увеличения срока службы суперконденсатор не должен работать при недопустимо высоком напряжении.
Рисунок 5Влияние рабочего напряжения на стабильность цикла заряда-разряда.
Циклические вольтамперограммы 2 nd и 500 th симметричных суперконденсаторов PAN-CNT с максимальным зарядным напряжением (MCV) (a) 0,65 В и (b) 0,68 В. Скорость развертки напряжения: 10 мВ с — 1 .
Что касается MCV, упомянутые выше суперконденсаторы были изготовлены с равными емкостями положительного и отрицательного электродов, т.е.е. C + / C — = 1. В такой конфигурации асимметричные суперконденсаторы обычно показывают более высокие MCV, чем симметричные аналоги. Исключение составляют асимметричные суперконденсаторы «PPY-CNT (+) | KCl | CMPB (-) »и« PEDOT-CNT (+) | KCl | CMPB (-) », MCV которого были такими же или лишь немного больше, чем у симметричного аналога,« PPY-CNT | KCl | PPY-CNT »и« PEDOT-CNT | KCl | PEDOT-CNT », как показано в Таблице 1. Кроме того, согласно Фиг. 2 и Таблице 1, в некоторых случаях достигнутый MCV был все еще уже, чем сумма CPR положительного и отрицательного электродов после вычитания перекрывающегося диапазона.Причина заключалась в одинаковых емкостях электродов, как было проанализировано выше. Поэтому ожидается, что за счет увеличения относительной емкости электрода определения напряжения MCV суперконденсатора может еще больше увеличиться. Эта стратегия неравенства емкости ранее применялась в асимметричном суперконденсаторе «PAN-CNT (+) | HCl | CMPB (-) »и даже в водном суперконденсаторе« CMPB (+) | K 2 SO 4 | ЧМПБ (-) » 16,17 . Было замечено, что при изменении отношения емкостей PAN-CNT к CMPB с 1: 1 до 4: 3 MCV увеличивалась с 1.От 05 до 1,40 В. Хотя увеличение отношения емкостей привело к потере удельной емкости элемента примерно на 4,5%, удельная энергия элемента увеличилась на 73%. Аналогично в «CMPB (+) | K 2 SO 4 | CMPB (-) ”суперконденсатор, MCV составлял 1,6 В и 1,9 В при соотношении емкостей 1: 1 и 4: 3 соответственно. Потери емкости составляли 2%, но удельный выигрыш энергии элемента составлял 38%.
Как видно на рис. 2, CPR электроосажденного PPY-CNT (от -0,5 В до 0,5 В) заключен в CPR углерода (CMPB, -0.От 8 В до 0,6 В) в водном KCl. Таким образом, электрод PPY-CNT должен быть электродом определения напряжения и MCV асимметричного “PPY-CNT (+) | KCl | CMPB (-) ”при одинаковых емкостях электродов не будет шире, чем CPR PPY-CNT. Для поддержания положительного электрода в диапазоне положительного потенциала рядом с E P2 PPY-CNT, но принуждение отрицательного электрода к достаточно отрицательному диапазону потенциала около E N1 CMPB, C + / C — соотношение должно быть значительно больше 1 в соответствии с уравнением Q = C + × U + = C — × U — , где C + и U + — емкость и рабочий потенциал. диапазон положительного электрода, а C — и U — — диапазон отрицательного электрода.
Для дальнейшего исследования стратегии неравенства емкости одноячеечный суперконденсатор «PPY-CNT (+) | KCl | AC (-) ”был изготовлен и исследован. В этой ячейке AC представлял собой промышленный активированный уголь (Kuraray, удельная поверхность: 1500 ~ 1800 м 2 г -1 ). Его удельная емкость составила 125 Ф · г -1 в диапазоне потенциалов -0,9 ~ 0,2 В относительно Ag / AgCl в 3 моль л -1 KCl. Используемый PPY-CNT был химически синтезирован, как описано до 6 , при этом содержание CNT контролировалось на уровне 20 мас.%. CV этого химически синтезированного PPY-CNT представлены на фиг. 6a, демонстрируя особенности, в частности CPR, почти идентичные таковым у электроосажденного PPY-CNT (фиг. 2).
Рисунок 6Влияние неравных емкостей электродов на максимальное зарядное напряжение.
Циклические вольтамперограммы (а) химически синтезированного PPY-CNT (20 мас.%) В двух различных окнах потенциалов и (b) асимметричных суперконденсаторов (синяя линия) «5 мг PPY-CNT (+) | KCl | 10 мг AC (-) ”при C + / C — = 1.0 и (красная линия) «24 мг PPY-CNT (+) | KCl | 11 мг AC (-) ”при C + / C — = 3,0. Удельная емкость: 180 Ф · г -1 для PPY-CNT и 125 Ф · г -1 для активированного угля. Электролит: 3 моль л -1 KCl. Скорость сканирования: 5 мВ с -1 .
После серии испытаний было обнаружено, что при C + / C — = 3,0 MCV «PPY-CNT (+) | KCl | Ячейка переменного тока (-) ”была увеличена до 1,5 В, как показано на рис. 6b. Используя электрод сравнения и два независимых потенциостата 17 , было обнаружено, что потенциалы положительного и отрицательного электрода равны 0.62 В и -0,88 В относительно Ag / AgCl, соответственно, когда суперконденсатор был полностью заряжен до MCV (= 1,5 В). Измеренное значение PZV составило 0,17 В, когда суперконденсатор был разряжен до 0 В. В аналогичных измерениях суперконденсатора с равными емкостями электродов положительный и отрицательный потенциалы электрода составили 0,64 В и -0,36 В относительно Ag / AgCl соответственно, когда суперконденсатор был полностью заряжен до MCV (= 1,0 В), в то время как PZV составлял 0,14 В. Путем нормализации данных по общей массе двух электродов было получено, что неравенство емкости привело к потере 9.1% в удельной емкости элемента, но удельная энергия элемента удвоилась (29,7 Ф · г -1 и 14,9 Дж · г -1 при C + / C — = 1,0 по сравнению с 27,0 Ф · г -1 и 30. 4 Дж г −1 при C + / C — = 3,0). Стоит отметить, что в этих двух случаях CPR положительного электрода PPY-CNT, PZV и даже E N2 отрицательного электрода переменного тока практически не изменились. Единственное изменение заключалось в том, что СЛР отрицательного электрода переменного тока стала значительно шире со смещением E N1 от -0.От 36 до -0,88 В. Это открытие является беспрецедентным, но соответствует ожидаемой уникальной роли «электрода определения напряжения» в определении MCV.
Электрический потенциал и емкость — StatPearls
Определение / Введение
Электрический потенциал и емкость проистекают из концепции заряда. Заряд — это сравнение количества протонов и электронов, которыми обладает материал. Если протонов больше, чем электронов, то есть чистый положительный заряд. И наоборот, если электронов больше, чем протонов, чистый отрицательный заряд.Равное количество протонов и электронов имеют нейтральный заряд. Зарядные материалы также проявляют электрические силы: противоположные заряды притягиваются (например, положительные и отрицательные), а аналогичные заряды отталкиваются (например, положительные и положительные или отрицательные и отрицательные). Единица измерения заряда — кулон (Кл). Протоны и электроны по отдельности имеют заряд +1.602 E -19 C и -1,602 E -19 C соответственно. Значения заряда для протонов и электронов считаются элементарным зарядом, потому что накопление микроскопических электронов и протонов определяет макроскопический заряд.
Работа, совершаемая с движущимися зарядами, — это электрический потенциал. Как следует из названия, электрический потенциал измеряет изменение потенциальной энергии определенного заряда. Единицами измерения электрического потенциала являются джоули на кулон (Дж / Кл), которые измеряют количество работы на один заряд. Единица J / C обычно упоминается как вольт (В) и является повсеместной единицей измерения электрического потенциала. Концепцию электрического потенциала часто сравнивают с концепцией гравитационной потенциальной энергии. Чем выше объект находится над землей, тем большей гравитационной потенциальной энергией обладает объект.Точно так же, чем дальше объект от заряда, тем больше электрический потенциал доступен. Электрический потенциал от определенного заряда известен как точечный заряд и может быть явно измерен. Уравнение для определения электрического потенциала от конкретного точечного заряда:
Где V — электрический потенциал (В), k — постоянная величина, обратная диэлектрической проницаемости свободного пространства, обычно обозначаемая как 8,99 E 9 Н (м · м). / (C · C), q — заряд точки (C), а r — расстояние от точечного заряда (м), которое возведено в квадрат.Размерный анализ часто необходим, чтобы убедиться, что все единицы согласованы.
Электрический потенциал обратно пропорционален квадрату расстояния от точечного заряда. Это говорит о том, что чем дальше объект от точечного заряда, тем быстрее падает электрический потенциал. Кроме того, если электрический потенциал измеряется в различных точках вокруг объекта, вокруг объекта может быть сгенерирована кривая, в которой каждая точка имеет одинаковый потенциал. Если два объекта, содержащие заряды, расположены рядом друг с другом, то сила притяжения или отталкивания присутствует.Обычно это изображается линиями, исходящими от положительно заряженного источника, со стрелкой, указывающей на отрицательно заряженный источник и заканчивающейся на нем. Однако объяснение и применение электрических полей выходят за рамки этой статьи.
В то время как электрический потенциал измеряет способность выполнять работу с зарядом, емкость измеряет способность сохранять заряд. Единицей измерения емкости является кулон на напряжение (Кл / В), то есть количество заряда на приложенное напряжение.Фарад (F) обычно используется вместо отношения C / V для измерения емкости. Конденсатор используется для хранения емкости и создается, когда две пластины параллельны друг другу, причем каждый конец подключен к противоположным источникам заряда. Каждый заряд заполняет одну из параллельных пластин, создавая между ними электрическое поле. Затем конденсатор может разрядить заряды между двумя пластинами при подключении. Уравнение для определения емкости:
Где C — емкость (F), e0 — диэлектрическая проницаемость свободного пространства (8.85 E -12 Ф / м), k — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала между пластинами, A — геометрическая площадь обеих пластин (м · м), а d — расстояние между двумя пластинами (м). Емкость обратно пропорциональна расстоянию, поэтому чем больше расстояние между двумя пластинами, тем меньше доступная емкость. Кроме того, значение k определяется материалом между параллельными пластинами и прямо пропорционально емкости; в большинстве конденсаторов между конденсаторами есть твердое тело для улучшения емкости.[1] [2] [3]
Проблемы, вызывающие озабоченность
Электрический потенциал и емкость имеют широкий спектр применений в производстве и хранении энергии. Для работы каждого электроприбора необходимы заряд, электрический потенциал и емкость. В Рой и др. Аспекты электрического потенциала и емкости изучаются на фотогенерируемой электрической энергии для улучшения устройств накопления энергии. В этой работе Roy et al. изучите емкость аккумуляторной батареи, потому что конденсаторы — это временные батареи, которые удерживают заряд.Однако емкость — это лишь один из аспектов схемы, необходимой для создания эффективных электрических устройств. Другие аспекты, такие как ток и сопротивление, выходят за рамки этой статьи.
Правильное понимание электрического потенциала в системе может создавать материалы по-новому. Аспекты электрического потенциала используются при регенерации костей посредством полимеризации. He et al. использовали электрическую культуру клеток для создания материалов, используемых в их исследовании. Хотя это всего лишь один пример, область электрохимической инженерии в значительной степени зависит от точности электрического потенциала в топливных элементах и батареях для правильного распределения энергии.[4] [5] [6]
Основная проблема, вызывающая озабоченность по поводу электрического потенциала, заключается в том, что он становится более строгим с множественными точечными зарядами. Электрический потенциал также может быть помехой во многих электрохимических исследованиях. Например, электролиз воды происходит при 1,23 В, что означает, что если более 1,23 В применяется к системе, содержащей воду, молекулы воды расщепляются на водород и кислород. У других молекул есть пороговые значения напряжения, которые необходимо учитывать при подаче напряжения в систему.
Другой проблемой, вызывающей беспокойство, является определение подходящего материала для конденсатора.Если материал создает слишком большую емкость, разряд может разрушить электрическую систему. Если емкость слишком мала, приложение работать не будет. Если материал не является устойчивым, конденсаторы быстро выйдут из строя и не будут экономичными. [7] [8]
Клиническая значимость
Электрический потенциал присутствует почти в каждом медицинском устройстве. У каждого есть определенный предел напряжения, который предотвращает выход устройства из строя. Электрический потенциал также присутствует в человеческом мозге.В среднем нейроны человека имеют напряжение 70 мВ. Емкость также присутствует почти в каждом медицинском устройстве, но она является основой дефибрилляторов. Конденсаторы — это временные батареи, которые могут разряжаться быстрее, чем обычные батареи, что необходимо при остановке сердца у пациента. [9] [10]
Вмешательство группы медсестер, смежных медицинских и межпрофессиональных групп
Хотя в большинстве случаев это не является необходимым для выполнения своих обязанностей, практикующие врачи, использующие устройства, основанные на электрическом потенциале, должны, по крайней мере, иметь некоторый уровень знакомства с этими концепциями.Это может помочь в обеспечении электробезопасности, даже если это не входит в их непосредственное руководство по уходу за пациентом. Для тех, кто больше вовлечен во внутреннюю работу устройств в том, что касается диагностики или лечения, необходимо более тщательное понимание.
Что такое напряжение или разность потенциалов?
Что такое напряжение?
Напряжение — очень важный термин в электротехнике . Он похож на силу в общей физике.Здесь эта сила перемещает какой-то объект. В электричестве эта сила называется электродвижущей силой, которая приводит в движение электроны, то есть потоком тока. Это напряжение также называется электрическим давлением или разностью потенциалов или электрическим напряжением.
Это количество потенциальной энергии между двумя узлами или двумя точками в замкнутой цепи. Из этих двух узлов один узел имеет больше заряда, а другой — меньше.Таким образом, разница между двумя зарядами называется , напряжение . Она измеряется в вольтах. Символ напряжения — V (заглавная буква v). Этот термин вольт назван в честь итальянского ученого Алессандро Вольта, который изобрел первую батарею.
Выполняется работа по перемещению заряда между двумя узлами на единицу заряда. Это напряжение может создаваться статическими электрическими полями, электромагнитными полями, изменяющимися во времени магнитными полями. Для измерения напряжения в замкнутой цепи мы используем вольтметр. Напряжение в замкнутой цепи в том смысле, что оно происходит либо от источника энергии, либо от накопленной энергии, либо от потери энергии.
Чтобы вам было понятнее, мы можем сравнить это напряжение, ток, сопротивление в замкнутом контуре с резервуаром для воды. Замкнутый контур с активными и пассивными элементами аналогичен резервуару для воды. В этом случае давление воды сравнивается с . напряжение , поток воды аналогичен току, количество воды аналогично заряду. Если в баке больше воды, то больше заряда и больше давления, чем больше электрического давления.
Математическое представление напряжения:Рассмотрим две точки A и B. Напряжение , в точке A, равно VA, а напряжение в точке B, равно VB. Теперь напряжение — это разность потенциалов между точками A и B.
Классификация напряжений:Напряжения делятся на два типа:
1) Постоянное напряжение (DC) или постоянное напряжение
2) Переменное напряжение (AC) или напряжение переменного тока
* DC Напряжение в электрических схемах представлено следующим образом:
* Батареи и элементы обычно используются как источники постоянного напряжения .
* Напряжения постоянного тока будут иметь постоянную величину в любое время.
* Величина постоянного напряжения не зависит от времени.
Это видно из рисунка
ниже.* Напряжение переменного тока представлено, как показано на рисунке
ниже.* Величина переменного напряжения всегда меняется со временем.
На рисунке ниже виден рисунок
.* Синхронные генераторы, индукционные генераторы являются источниками переменного тока напряжения .
* Скорость изменения формы волны напряжения называется частотой. Обычно используются частоты 50 Гц (в Индии) и 60 Гц (в США).
Источники напряжения Представления:Напряжение зависит от времени и не зависит от времени. В этих двух случаях независимые напряжения представлены следующим образом:
Что такое электричество? — учиться.sparkfun.com
Добавлено в избранное Любимый 70Электрический потенциал (энергия)
Когда мы используем электричество для питания наших цепей, устройств и устройств, мы действительно преобразуем энергию. Электронные схемы должны иметь возможность накапливать энергию и передавать ее другим формам, таким как тепло, свет или движение. Накопленная энергия цепи называется электрической потенциальной энергией.
Энергия? Потенциальная энергия?
Чтобы понять потенциальную энергию, нам нужно понять энергию в целом.Энергия определяется как способность объекта выполнять работу , другого объекта, что означает перемещение этого объекта на некоторое расстояние. Энергия присутствует в различных формах , некоторые из которых мы можем видеть (например, механическая), а другие — нет (например, химическая или электрическая). Независимо от того, в какой форме она находится, энергия существует в одном из двух состояний : кинетическом или потенциальном.
Объект имеет кинетической энергии , когда он движется. Количество кинетической энергии объекта зависит от его массы и скорости. Потенциальная энергия , с другой стороны, представляет собой накопленную энергию , когда объект находится в состоянии покоя. Он описывает, сколько работы мог бы сделать объект, если бы он был приведен в движение. Это энергия, которую мы обычно можем контролировать. Когда объект приводится в движение, его потенциальная энергия превращается в кинетическую.
Давайте вернемся к использованию гравитации в качестве примера. Шар для боулинга, неподвижно сидящий на вершине башни Халифа, имеет много потенциальной (запасенной) энергии. После падения мяч, притягиваемый гравитационным полем, ускоряется по направлению к земле.По мере ускорения мяча потенциальная энергия преобразуется в кинетическую (энергию движения). В конце концов вся энергия мяча превращается из потенциальной в кинетическую, а затем передается всему, в что он попадает. Когда мяч находится на земле, у него очень низкая потенциальная энергия.
Электрическая потенциальная энергия
Точно так же, как масса в гравитационном поле имеет гравитационную потенциальную энергию, заряды в электрическом поле имеют электрическую потенциальную энергию . Электрическая потенциальная энергия заряда описывает, сколько у него накопленной энергии, когда она приводится в движение электростатической силой, эта энергия может стать кинетической, и заряд может выполнять работу.
Подобно шару для боулинга, сидящему на вершине башни, положительный заряд в непосредственной близости от другого положительного заряда имеет высокую потенциальную энергию; оставленный свободным для движения, заряд будет отталкиваться от аналогичного заряда. Положительный тестовый заряд, помещенный рядом с отрицательным зарядом, будет иметь низкую потенциальную энергию, как и шар для боулинга на земле.
Чтобы привить чему-либо потенциальную энергию, мы должны выполнить работу , перемещая это на расстояние. В случае шара для боулинга работа заключается в том, чтобы поднять его на 163 этажа против поля силы тяжести.Точно так же необходимо проделать работу, чтобы подтолкнуть положительный заряд к стрелкам электрического поля (либо к другому положительному заряду, либо от отрицательного заряда). Чем дальше идет заряд, тем больше работы вам предстоит сделать. Точно так же, если вы попытаетесь отвести отрицательный заряд от от положительного заряда — против электрического поля — вам придется выполнять работу.
Для любого заряда, находящегося в электрическом поле, его электрическая потенциальная энергия зависит от типа (положительный или отрицательный), количества заряда и его положения в поле.Электрическая потенциальная энергия измеряется в джоулях ( Дж, ).
Электрический потенциал
Электрический потенциал основан на электрическом потенциале energy , чтобы помочь определить, сколько энергии хранится в электрических полях . Это еще одна концепция, которая помогает нам моделировать поведение электрических полей. Электрический потенциал — это , а не , это то же самое, что электрическая потенциальная энергия!
В любой точке электрического поля электрический потенциал равен величине электрической потенциальной энергии, деленной на величину заряда в этой точке.Он исключает количество заряда из уравнения и оставляет нам представление о том, сколько потенциальной энергии могут обеспечить определенные области электрического поля. Электрический потенциал выражается в джоулях на кулон ( Дж / Кл ), который мы определяем как вольт (В).
В любом электрическом поле есть две точки электрического потенциала, которые представляют для нас значительный интерес. Есть точка с высоким потенциалом, где положительный заряд будет иметь максимально возможную потенциальную энергию, и есть точка с низким потенциалом, где заряд будет иметь минимально возможную потенциальную энергию.
Один из наиболее распространенных терминов, которые мы обсуждаем при оценке электричества, — это напряжение . Напряжение — это разница потенциалов между двумя точками электрического поля. Напряжение дает нам представление о том, сколько толкающей силы имеет электрическое поле.
Имея в своем арсенале потенциальную и потенциальную энергию, у нас есть все ингредиенты, необходимые для производства электричества.