Takrifan potensi elektrik
Potensi elektrik ditakrifkan sebagai tenaga keupayaan elektrik per unit cas. Katakan apabila ia berada di titik a, cas q mempunyai tenaga keupayaan elektrik sama dengan EP a , maka potensi elektrik pada titik a dirumuskan seperti berikut:
V = keupayaan elektrik, EP = tenaga keupayaan elektrik, q = cas elektrik
V bukan sahaja berada pada titik a tetapi juga pada semua titik dalam medan elektrik. Titik a digunakan sebagai contoh. Seperti yang akan dijelaskan kemudian, V tidak bergantung pada cas q.
EP dan cas elektrik ialah kuantiti skalar supaya V juga merangkumi kuantiti skalar. Unit sistem antarabangsa EP ialah Joule dan unit sistem antarabangsa cas elektrik ialah Coulomb supaya unit sistem antarabangsa V ialah Joule per Coulomb (J/C). Nama lain untuk J/C ialah Volt, yang berasal daripada nama saintis Itali dan pencipta bateri elektrik, Alessandro Volta (1745-1827).
Perbezaan keupayaan elektrik
V pada titik seperti V pada titik a, iaitu V a , tidak dapat diketahui kerana yang paling penting ialah perubahan keupayaan elektrik. Perubahan keupayaan elektrik boleh diketahui melalui nilainya, sama ada melalui pengiraan atau pengukuran. V berubah apabila cas q bergerak dari satu titik ke titik yang lain. Katakan cas q bergerak dari titik a ke titik b, maka perubahan dalam V ialah:
Vab ialah perbezaan V antara dua titik dalam medan elektrik, contohnya, titik a dan b. Perbezaan V antara titik a dan b (V ab ) adalah sama dengan kerja yang dilakukan oleh daya elektrik dalam cas elektrik apabila bergerak dari titik a ke titik b, per unit cas (W ab / q). Perlu diingatkan bahawa kerja yang dilakukan oleh daya elektrik cas q apabila bergerak dari titik a ke titik b (W ab ) adalah sama dengan perubahan dalam tenaga keupayaan elektrik cas q (ΔEP). Oleh itu, dalam persamaan di atas, ΔEP boleh digantikan dengan W ab.
Apabila sesuatu objek berada pada ketinggian tertentu di atas permukaan tanah, ia mempunyai tenaga keupayaan graviti, di mana permukaan tanah digunakan sebagai titik rujukan. Dalam kes ini, ketinggian permukaan tanah dan tenaga keupayaan graviti tepat di permukaan tanah ditetapkan kepada sifar. Sama seperti tenaga keupayaan graviti, apabila kita menyatakan sesuatu titik mempunyai keupayaan elektrik tertentu, ia mestilah titik lain yang digunakan sebagai titik rujukan, dengan hanya mempertimbangkan perbezaan dalam keupayaan elektrik yang boleh dikira. Biasanya, tanah atau konduktor elektrik yang disambungkan ke tanah dipilih sebagai titik rujukan, di mana keupayaan elektrik konduktor atau keupayaan elektrik di dalam tanah ditetapkan kepada sifar. Jadi jika sesuatu titik mempunyai keupayaan elektrik 12 Volt, perbezaan keupayaan elektrik antara titik itu dan tanah ialah 12 Volt. Pada bateri 6 Volt, perbezaan keupayaan elektrik antara terminal positif dan terminal negatif ialah 6 Volt. Oleh kerana unit perbezaan keupayaan elektrik ialah Volt, perbezaan keupayaan elektrik antara dua titik biasanya dirujuk sebagai voltan.
Persamaan beza keupayaan elektrik di atas boleh ditulis semula seperti berikut:
Jika cas q melalui beza keupayaan elektrik V ab , tenaga keupayaan berubah sebanyak ΔEP. Contohnya, cas 2 Coulomb melalui beza keupayaan elektrik 12 Volt, tenaga keupayaan elektrik berubah sebanyak (2 C)(12 V) = 24 Joule. Begitu juga, jika cas 4 Coulomb melalui beza keupayaan elektrik 24 Volt, tenaga keupayaan elektrik berubah sebanyak (4 C) (24 V) = 96 Joule.
Jadi, perubahan dalam tenaga keupayaan elektrik (ΔEP) adalah berkadar terus dengan cas (q) dan voltan (Vab ) . Semakin tinggi cas dan voltan elektrik, semakin tinggi perubahan dalam tenaga keupayaan elektrik. Tenaga keupayaan berkaitan dengan keupayaan untuk melakukan kerja, jadi jika perubahan dalam tenaga keupayaan elektrik adalah signifikan, maka keupayaan untuk melakukan kerja juga signifikan.
Persamaan perbezaan V di atas masih umum. Untuk mendapatkan persamaan V yang lebih terperinci, kaji semula perbezaan keupayaan elektrik dalam medan elektrik homogen dan perbezaan keupayaan elektrik yang dihasilkan oleh satu cas.
Potensi elektrik dalam medan elektrik homogen
Perbezaan V antara dua titik dalam medan elektrik homogen, contohnya, titik a dan titik b, boleh dikira menggunakan persamaan di bawah:
V ab = perbezaan V antara dua titik, E = medan elektrik, dan d = jarak antara dua titik.
V dihasilkan oleh cas tunggal
V pada satu titik akibat cas tunggal yang menghasilkan medan elektrik boleh dikira menggunakan persamaan:
V ab = perbezaan V antara dua titik, k = pemalar Coulomb, Q = cas tunggal yang menghasilkan medan elektrik, r = jarak antara cas Q dan titik di mana V dikira.
Hubungan antara medan elektrik (E) dan potensi elektrik (V)
Medan elektrik E ialah kuantiti vektor, manakala V ialah kuantiti skalar. Kuantiti vektor melibatkan arah supaya ia lebih sukar untuk dikira berbanding mengira kuantiti skalar. Untuk memudahkan pengiraan medan elektrik, gunakan persamaan yang menyatakan hubungan antara medan elektrik dan V.
Persamaan beza keupayaan yang diterangkan sebelum ini ditulis semula seperti berikut:
Secara matematik, kerja ialah hasil darab daya dan sesaran, di mana daya ialah hasil darab cas dan medan elektrik. Hubungan antara kerja, daya dan sesaran dinyatakan melalui persamaan di bawah:
Jika kedua persamaan di atas digabungkan, maka persamaan baru akan dihasilkan seperti berikut:
E = medan elektrik, V ab = perbezaan keupayaan elektrik antara dua titik seperti titik a dan b, d = jarak antara dua titik.
Unit beza keupayaan ialah Volt, dan unit jarak ialah meter supaya medan elektrik boleh dinyatakan dalam unit Volt per meter (V/m).
Persamaan ini boleh digunakan untuk menentukan medan elektrik (homogen) yang dikenali sebagai beza keupayaan antara dua titik dan jarak antara dua titik tersebut. Berdasarkan persamaan tersebut, medan elektrik adalah berkadar terus dengan V dan berkadar songsang dengan jarak. Ini bermakna semakin tinggi V, semakin tinggi medan elektrik dan semakin tinggi jarak, semakin kecil medan elektrik.
