Định nghĩa
Điện thế được định nghĩa là năng lượng tiềm năng trên một đơn vị điện tích . Ví dụ, khi tại điểm a, điện tích q có năng lượng tiềm năng là EP a , thì điện thế tại điểm a được biểu diễn như sau:
Mô tả: V = điện thế, EP = thế năng, q = điện tích.
Điện trường V không chỉ tồn tại tại điểm a mà còn ở mọi điểm trong điện trường . Điểm a được dùng làm ví dụ. Như sẽ được giải thích sau, giá trị của nó không phụ thuộc vào điện tích q.
Độ pH và điện tích là các đại lượng vô hướng, do đó V cũng là một đại lượng vô hướng. Đơn vị hệ quốc tế của độ pH 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 V tại điểm a, tức là V a , không thể biết được vì điều có ý nghĩa là sự thay đổi điện thế. Giá trị của sự thay đổi điện thế có thể được biết thông qua tính toán hoặc đo đạc. 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 điện thế là:
V ab 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 (V ab ) bằng công do lực điện thực hiện lên điện tích khi nó di chuyển từ điểm a đến điểm b, trên mỗi đơn vị điện tích (W ab /q). Cần lưu ý rằng công do lực điện thực hiện lên điện tích q khi nó di chuyển từ điểm a đến điểm b (W ab ) bằng sự thay đổi thế năng của điện tích q (ΔEP). Do đó, trong phương trình trên, ΔEP có thể được thay thế bằng W ab.
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 nói rằng một điểm có một điện thế nhất định, thì phải sử dụng một điểm khác làm điểm tham chiếu, vì chỉ có thể tính toán được hiệu điện thế. Thông thường, mặt đất hoặc một dây dẫn điện nối đất được chọn làm điểm tham chiếu, trong đó điện thế trên dây dẫn hoặc điện thế trong lòng đất được đặt bằng không. Vì vậy, nếu một điểm có điện thế V là 12 V, thì hiệu điện thế giữa điểm đó và mặt đất là 12 V. Trong 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 ở trên có thể được viết lại như sau:
Nếu điện tích q đi qua hiệu điện thế Vab Khi đó, thế năng thay đổi một lượng ΔEP. Ví dụ, nếu một điện tích 2 Coulomb đi qua hiệu điện thế 12 V, thế năng thay đổi một lượng (2 C)(12 V) = 24 Joule. Tương tự, nếu một điện tích 4 Coulomb đi qua hiệu điện thế 24 V, thế năng thay đổi một lượng (4 C)(24 V) = 96 Joule.
Như vậy, sự thay đổi thế năng (ΔEP) tỷ lệ thuận với điện tích (q) và hiệu điện thế (Vab ) . Điện tích và/hoặc hiệu điện thế càng lớn thì sự thay đổi thế năng càng lớn. Thế năng liên quan đến khả năng thực hiện công, vì vậy nếu sự thay đổi thế năng lớn thì khả năng thực hiện công cũng lớn.
Phương trình hiệu điện thế nêu trên vẫn mang tính tổng quát. Để có được phương trình V chi tiết hơn, hãy xem xét hiệu điện thế trong một điện trường đồng nhất và hiệu điện thế do một điện tích đơn lẻ tạo ra.
Điện trường đồng nhất
Hiệu điện thế giữa hai điểm trong một điện trường đồng nhất, ví dụ điểm a và điểm b, có thể được tính bằng phương trình dưới đây:
Mô tả: V <sub>ab</sub> = hiệu điện thế giữa hai điểm, E = cường độ điện trường và s = khoảng cách giữa hai điểm.
Tải đơn
Điện thế tại một điểm do sự hiện diện của một điện tích đơn lẻ tạo ra điện trường có thể được tính bằng phương trình:
Mô tả: V ab = hiệu điện thế giữa hai điểm, k = hằng số Coulomb, Q = điện tích đơn tạo ra điện trường, r = khoảng cách giữa điện tích Q và điểm cần tính điện thế.
Mối quan hệ giữa điện trường và điện thế
Điện trường là một đại lượng vectơ, trong khi điện thế là một đại lượng vô hướng. Đại lượng vectơ có hướng, do đó việc tính toán chúng khó hơn đại lượng vô hướng. Để đơn giản hóa việc tính toán, người ta sử dụng một phương trình thể hiện mối quan hệ giữa điện trường và điện thế.
Phương trình hiệu điện thế đã được giải thích 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, ta sẽ thu được một phương trình mới như sau:
Mô tả: E = Điện trường, V ab = hiệu điện thế giữa hai điểm, ví dụ điểm a và 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 (đồng nhất) nếu biết hiệu điện thế giữa hai điểm và khoảng cách giữa chúng. Theo phương trình, điện trường tỷ lệ thuận với hiệu điện thế và tỷ lệ nghịch với khoảng cách. Điều này có nghĩa là hiệu điện thế càng lớn thì điện trường càng lớn, và khoảng cách càng lớn thì điện trường càng nhỏ.
