Định nghĩa về điện thế
Điện thế được định nghĩa là năng lượng điện thế trên một đơn vị điện tích. Giả sử tại điểm a, điện tích q có năng lượng điện thế bằng EP a , thì điện thế tại điểm a được biểu diễn như sau:
V = điện thế, EP = thế năng, q = điện tích
Điện trường V không chỉ tồn tại ở điểm a mà còn ở mọi điểm trong điện trường. Điểm a được sử dụng làm ví dụ. Như sẽ được giải thích sau, V không phụ thuộc vào điện tích q.
Thế năng (EP) và điện tích là các đại lượng vô hướng, do đó V cũng bao gồm các đại lượng vô hướng. Đơn vị hệ quốc tế của thế năng là Joule và đơn vị hệ quốc tế của điện tích là Coulomb, vì vậy đơn vị hệ quốc tế của V là Joule trên Coulomb (J/C). Một tên gọi khác của J/C là Volt, được đặt theo tên của nhà khoa học và nhà phát minh người Ý, Alessandro Volta (1745-1827), người đã phát minh ra pin điện.
Hiệu điện thế
Điện thế V tại một điểm, ví dụ như V tại điểm a, tức là V a , không thể biết được vì điều quan trọng nhất là sự thay đổi điện thế. Sự thay đổi điện thế có thể được biết bằng giá trị của nó, thông qua tính toán hoặc đo đạc. Điện thế V thay đổi khi điện tích q di chuyển từ điểm này sang điểm khác. Giả sử điện tích q di chuyển từ điểm a đến điểm b thì sự thay đổi của V là:
Vab là hiệu điện thế giữa hai điểm trong điện trường, ví dụ điểm a và điểm b. Hiệu điện thế giữa hai điểm a và b (Vab ) bằng với công do lực điện thực hiện trên điện tích khi di chuyển từ điểm a đến điểm b, trên mỗi đơn vị điện tích (Wab / q). Cần lưu ý rằng công do lực điện thực hiện trên điện tích q khi di chuyển từ điểm a đến điểm b (Wab ) bằng với sự thay đổi thế năng điện của điện tích q (ΔEP). Do đó, trong phương trình trên, ΔEP có thể được thay thế bằng Wab.
Khi một vật ở một độ cao nhất định so với mặt đất, nó có thế năng trọng trường, trong đó mặt đất được dùng làm điểm tham chiếu. Trong trường hợp này, độ cao của mặt đất và thế năng trọng trường ngay tại mặt đất được đặt bằng không. Tương tự như thế năng trọng trường, khi ta quy định một điểm có điện thế nhất định, ta phải sử dụng một điểm khác làm điểm tham chiếu, chỉ xét đến hiệu điện thế có thể tính toán được. Thông thường, mặt đất hoặc các dây dẫn điện nối đất được chọn làm điểm tham chiếu, trong đó điện thế của dây dẫn hoặc điện thế trong đất được đặt bằng không. Vì vậy, nếu một điểm có điện thế 12 V, thì hiệu điện thế giữa điểm đó và mặt đất là 12 V. Với pin 6 V, hiệu điện thế giữa cực dương và cực âm là 6 V. Vì đơn vị của hiệu điện thế là V, nên hiệu điện thế giữa hai điểm thường được gọi là điện áp.
Phương trình hiệu điện thế nêu trên có thể được viết lại như sau:
Nếu điện tích q đi qua hiệu điện thế V ab , thế năng sẽ thay đổi một lượng ΔEP. Ví dụ, nếu điện tích 2 Coulomb đi qua hiệu điện thế 12 V, thế năng sẽ thay đổi một lượng (2 C)(12 V) = 24 Joule. Tương tự, nếu điện tích 4 Coulomb đi qua hiệu điện thế 24 V, thế năng sẽ thay đổi một lượng (4 C)(24 V) = 96 Joule.
Như vậy, sự thay đổi thế năng điện (ΔEP) tỷ lệ thuận với điện tích (q) và hiệu điện thế (V ab ). Điện tích và hiệu điện thế càng cao thì sự thay đổi thế năng điện càng lớn. Thế năng có liên quan đến khả năng thực hiện công, do đó nếu sự thay đổi thế năng điện lớn thì khả năng thực hiện công cũng lớn.
Phương trình về hiệu điện thế V nêu trên vẫn mang tính tổng quát. Để có phương trình V chi tiết hơn, hãy xem lại hiệu điện thế trong điện trường đều và hiệu điện thế do một điện tích đơn lẻ tạo ra.
Điện thế trong trường điện đồng nhất
Sự khác biệt về điện thế V giữa hai điểm trong một điện trường đồng nhất, ví dụ như điểm a và điểm b, có thể được tính bằng phương trình dưới đây:
V ab = hiệu điện thế giữa hai điểm, E = cường độ điện trường, và d = khoảng cách giữa hai điểm.
Điện áp V được tạo ra bởi một điện tích duy nhất
Điện trường V tại một điểm có thể được tính bằng phương trình:
V ab = hiệu điện thế V giữa hai điểm, k = hằng số Coulomb, Q = điện tích đơn tạo ra điện trường, r = khoảng cách giữa điện tích Q và điểm đo điện thế V.
Mối quan hệ giữa điện trường (E) và điện thế (V)
Điện trường E là một đại lượng vectơ, trong khi điện trường V là một đại lượng vô hướng. Đại lượng vectơ có hướng nên việc tính toán khó khăn hơn so với việc tính toán đại lượng vô hướng. Để đơn giản hóa việc tính toán điện trường, người ta sử dụng một phương trình thể hiện mối quan hệ giữa điện trường và điện trường V.
Phương trình hiệu điện thế được mô tả trước đó được viết lại như sau:
Về mặt toán học, công là tích của lực và độ dịch chuyển, trong đó lực là tích của điện tích và điện trường. Mối quan hệ giữa công, lực và độ dịch chuyển được biểu thị bằng phương trình dưới đây:
Nếu kết hợp hai phương trình trên lại với nhau, ta sẽ thu được phương trình mới như sau:
E = điện trường, V ab = hiệu điện thế giữa hai điểm như điểm a và điểm b, d = khoảng cách giữa hai điểm.
Đơn vị của hiệu điện thế là Vôn, và đơn vị của khoảng cách là mét, do đó điện trường có thể được biểu thị bằng đơn vị Vôn trên mét (V/m).
Phương trình này có thể được sử dụng để xác định điện trường (điện trường đồng nhất), được gọi là hiệu điện thế giữa hai điểm và khoảng cách giữa hai điểm đó. Dựa trên phương trình này, điện trường tỷ lệ thuận với V và tỷ lệ nghịch với khoảng cách. Điều này có nghĩa là V càng cao thì điện trường càng mạnh và khoảng cách càng lớn thì điện trường càng yếu.
