Kefahaman
Potensi elektrik ditakrifkan sebagai tenaga keupayaan per unit cas elektrik . Contohnya, apabila pada titik a, cas q mempunyai tenaga keupayaan EP a , maka keupayaan pada titik a dirumuskan seperti berikut:
Penerangan: V = keupayaan elektrik, EP = tenaga keupayaan elektrik, q = cas elektrik.
V bukan sahaja wujud pada titik a tetapi juga pada semua titik dalam medan elektrik . Titik a digunakan sebagai contoh. Seperti yang akan dijelaskan kemudian, nilainya tidak bergantung pada cas q.
EP dan cas elektrik ialah kuantiti skalar, jadi V juga ialah kuantiti skalar. Unit sistem antarabangsa EP ialah Joule dan unit sistem antarabangsa cas elektrik ialah Coulomb, jadi unit sistem antarabangsa V ialah Joule per Coulomb (J/C). Nama lain untuk J/C ialah Volt, berasal daripada nama saintis Itali dan pencipta bateri elektrik, Alessandro Volta (1745-1827).
Perbezaan potensi elektrik
V pada satu titik, contohnya V pada titik a, iaitu V a , tidak dapat diketahui kerana apa yang bermakna ialah perubahan keupayaan. Nilai perubahan keupayaan boleh diketahui 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 keupayaan ialah:
V ab ialah beza keupayaan antara dua titik dalam medan elektrik, contohnya titik a dan b. Perbezaan keupayaan antara titik a dan b (V ab ) adalah sama dengan kerja yang dilakukan oleh daya elektrik ke atas cas elektrik apabila ia bergerak dari titik a ke titik b, per unit cas (W ab /q). Perlu diingatkan bahawa kerja yang dilakukan oleh daya elektrik ke atas cas q apabila ia bergerak dari titik a ke titik b (W ab ) adalah sama dengan perubahan tenaga keupayaan cas q (ΔEP). Oleh itu, dalam persamaan di atas, ΔEP boleh digantikan dengan W ab.
Apabila sesuatu objek berada pada ketinggian tertentu di atas 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 bahawa sesuatu titik mempunyai keupayaan tertentu, titik lain mesti digunakan sebagai titik rujukan, memandangkan hanya perbezaan keupayaan yang boleh dikira. Biasanya, tanah atau konduktor elektrik yang disambungkan ke tanah dipilih sebagai titik rujukan, di mana keupayaan pada konduktor atau keupayaan di dalam tanah ditetapkan kepada sifar. Jadi, jika sesuatu titik mempunyai V 12 Volt, perbezaan keupayaan antara titik itu dan tanah ialah 12 Volt. Dalam bateri 6 Volt, perbezaan keupayaan antara terminal positif dan terminal negatif ialah 6 Volt. Oleh kerana unit perbezaan keupayaan ialah Volt, perbezaan keupayaan antara dua titik biasanya dirujuk sebagai voltan elektrik.
Persamaan beza keupayaan di atas boleh ditulis semula seperti di bawah:
Jika cas q melalui beza keupayaan Vab maka tenaga keupayaan berubah sebanyak ΔEP. Contohnya, jika cas 2 Coulomb melalui beza keupayaan 12 Volt, tenaga keupayaan berubah sebanyak (2 C)(12 V) = 24 Joule. Begitu juga, jika cas 4 Coulomb melalui beza keupayaan 24 Volt, tenaga keupayaan berubah sebanyak (4 C)(24 V) = 96 Joule.
Jadi perubahan dalam tenaga keupayaan (ΔEP) adalah berkadar terus dengan cas (q) dan voltan elektrik (Vab ) . Semakin besar cas elektrik dan/atau voltan elektrik, semakin besar perubahan dalam tenaga keupayaan. Tenaga keupayaan berkaitan dengan keupayaan untuk melakukan kerja, jadi jika perubahan dalam tenaga keupayaan adalah besar, keupayaan untuk melakukan kerja juga adalah besar.
Persamaan beza keupayaan di atas masih umum. Untuk mendapatkan persamaan V yang lebih terperinci, pertimbangkan beza keupayaan dalam medan elektrik homogen dan yang dijana oleh satu cas.
Medan elektrik homogen
Perbezaan keupayaan antara dua titik dalam medan elektrik homogen, contohnya titik a dan titik b, boleh dikira menggunakan persamaan di bawah:
Penerangan: V ab = beza keupayaan antara dua titik, E = medan elektrik dan s = jarak antara dua titik.
Beban tunggal
Potensi pada satu titik akibat kehadiran satu cas yang menghasilkan medan elektrik boleh dikira menggunakan persamaan:
Penerangan: V ab = beza keupayaan antara dua titik, k = pemalar Coulomb, Q = cas tunggal yang menghasilkan medan elektrik, r = jarak antara cas Q dan titik di mana keupayaan dikira.
Hubungan antara medan elektrik dan potensi
Medan elektrik ialah kuantiti vektor, manakala potensi ialah kuantiti skalar. Kuantiti vektor melibatkan arah, menjadikannya lebih sukar untuk dikira berbanding kuantiti skalar. Untuk memudahkan pengiraan, persamaan digunakan yang menyatakan hubungan antara medan elektrik dan potensi.
Persamaan beza keupayaan yang telah dijelaskan sebelum ini ditulis semula seperti di bawah:
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-dua persamaan di atas digabungkan, persamaan baharu akan dihasilkan seperti berikut:
Penerangan: E = Medan elektrik, V ab = beza keupayaan antara dua titik, contohnya 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) jika perbezaan keupayaan antara dua titik dan jarak di antara keduanya diketahui. Menurut persamaan tersebut, medan elektrik adalah berkadar terus dengan keupayaan dan berkadar songsang dengan jarak. Ini bermakna semakin besar keupayaan, semakin besar medan elektrik, dan semakin besar jarak, semakin kecil medan elektrik.
