Razumevanje
Električni potencial je definiran kot potencialna energija na enoto električnega naboja . Na primer, ko ima naboj q v točki a potencialno energijo EP a , potem se potencial v točki a formulira na naslednji način:
Opis: V = električni potencial, EP = električna potencialna energija, q = električni naboj.
V ne obstaja le v točki a, temveč v vseh točkah električnega polja . Točka a je uporabljena kot primer. Kot bo pojasnjeno kasneje, njena vrednost ni odvisna od naboja q.
EP in električni naboj sta skalarni količini, zato je tudi V skalarna količina. Mednarodna sistemska enota za EP je Joule, mednarodna sistemska enota za električni naboj pa Coulomb, zato je mednarodna sistemska enota za V Joule na Coulomb (J/C). Drugo ime za J/C je Volt, ki izhaja iz imena italijanskega znanstvenika in izumitelja električne baterije Alessandra Volte (1745–1827).
Električna potencialna razlika
V v točki, na primer V v točki a, namreč V a , ni mogoče poznati, ker je pomembna le sprememba potenciala. Vrednost spremembe potenciala je mogoče poznati bodisi z izračunom bodisi z meritvijo. V se spremeni, ko se naboj q premakne iz ene točke v drugo. Recimo, da se naboj q premakne iz točke a v točko b, potem je sprememba potenciala:
V ab je potencialna razlika med dvema točkama v električnem polju, na primer točkama a in b. Potencialna razlika med točkama a in b (V ab ) je enaka delu , ki ga električna sila opravi na električni naboj, ko se ta premika od točke a do točke b, na enoto naboja (W ab /q). Treba je opozoriti, da je delo, ki ga električna sila opravi na naboj q, ko se premika od točke a do točke b (W ab ), enako spremembi potencialne energije naboja q (ΔEP). Zato lahko v zgornji enačbi ΔEP nadomestimo z W ab.
Ko je predmet na določeni višini nad tlemi, ima gravitacijsko potencialno energijo, pri čemer se površina tal uporablja kot referenčna točka. V tem primeru sta višina površine tal in gravitacijska potencialna energija tik ob površini tal nastavljeni na nič. Podobno kot pri gravitacijski potencialni energiji je treba pri trditvi, da ima točka določen potencial, kot referenčno točko uporabiti drugo točko, saj je mogoče izračunati le potencialno razliko. Običajno se kot referenčna točka izbere tla ali električni prevodnik, povezan s tlemi, kjer je potencial na prevodniku ali potencial v tleh nastavljen na nič. Če ima torej točka napetost V 12 voltov, je potencialna razlika med to točko in tlemi 12 voltov. V 6-voltni bateriji je potencialna razlika med pozitivnim in negativnim polom 6 voltov. Ker je enota za potencialno razliko volt, se potencialna razlika med dvema točkama običajno imenuje električna napetost.
Zgornjo enačbo potencialne razlike lahko zapišemo še enkrat, kot sledi:
Če naboj q prehaja skozi potencialno razliko Vab potem se potencialna energija spremeni za ΔEP. Na primer, če naboj 2 Couloma prehaja skozi potencialno razliko 12 voltov, se potencialna energija spremeni za (2 C)(12 V) = 24 Joulov. Podobno, če naboj 4 Couloma prehaja skozi potencialno razliko 24 voltov, se potencialna energija spremeni za (4 C)(24 V) = 96 Joulov.
Sprememba potencialne energije (ΔEP) je torej sorazmerna z nabojem (q) in električno napetostjo (Vab ) . Večji kot je električni naboj in/ali električna napetost, večja je sprememba potencialne energije. Potencialna energija je povezana z zmožnostjo opravljanja dela, zato je, če je sprememba potencialne energije velika, velika tudi zmožnost opravljanja dela.
Zgornja enačba za potencialno razliko je še vedno splošna. Za podrobnejšo enačbo V upoštevajte potencialno razliko v homogenem električnem polju in tisto, ki jo ustvari en sam naboj.
Homogeno električno polje
Potencialno razliko med dvema točkama v homogenem električnem polju, na primer točko a in točko b, lahko izračunamo z uporabo spodnje enačbe:
Opis: V ab = napetostna razlika med dvema točkama, E = električno polje in s = razdalja med dvema točkama.
Enojno obremenitev
Potencial v točki zaradi prisotnosti enega samega naboja, ki ustvarja električno polje, lahko izračunamo z enačbo:
Opis: V ab = potencialna razlika med dvema točkama, k = Coulombova konstanta, Q = posamezni naboj, ki ustvarja električno polje, r = razdalja med nabojem Q in točko, kjer se izračuna potencial.
Razmerje med električnim poljem in potencialom
Električno polje je vektorska količina, medtem ko je potencial skalarna količina. Vektorske količine vključujejo smer, zato jih je težje izračunati kot skalarne količine. Za poenostavitev izračunov se uporablja enačba, ki izraža razmerje med električnim poljem in potencialom.
Enačba potencialne razlike, ki je bila pojasnjena prej, je prepisana spodaj:
Matematično je delo produkt sile in premika, kjer je sila produkt naboja in električnega polja. Razmerje med delom, silo in premikom je izraženo s spodnjo enačbo:
Če zgornji dve enačbi združimo, dobimo novo enačbo, kot je prikazano spodaj:
Opis: E = električno polje, V ab = potencialna razlika med dvema točkama, na primer točki a in b, d = razdalja med dvema točkama.
Enota za napetostno razliko je volt, enota za razdaljo pa meter, tako da lahko električno polje izrazimo v enotah volt na meter (V/m).
To enačbo lahko uporabimo za določitev (homogenega) električnega polja, če sta znani potencialna razlika med dvema točkama in razdalja med njima. V skladu z enačbo je električno polje sorazmerno s potencialom in obratno sorazmerno z razdaljo. To pomeni, da večji kot je potencial, večje je električno polje, in večja kot je razdalja, manjše je električno polje.
