В чем измеряется потенциал: основные единицы и формулы
Электричество окружает нас повсюду. Без него невозможна работа бытовых приборов, компьютеров, транспорта. Но что такое электрический потенциал и в чем он измеряется? Давайте разберемся.
Основные понятия
Электрическое поле образуется вокруг заряженных частиц или тел. Электрический заряд бывает двух видов - положительный и отрицательный. Заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков притягиваются. Энергия их взаимодействия тем больше, чем ближе они находятся друг к другу.
Потенциал в точке поля - это характеристика, показывающая, какой работой обладает единичный положительный заряд, находящийся в данной точке. Разность потенциалов между двумя точками равна работе по переносу такого единичного заряда из одной точки в другую.
Потенциал измеряется в вольтах (В) в системе СИ. В системе СГС единица потенциала не получила специального названия.
Измерение потенциала
Для точечного заряда формула потенциала имеет вид:
где Q - величина заряда, r - расстояние от заряда, ε0 - электрическая постоянная.
В чем измеряется потенциал заряженной сферы? Снаружи сферы он эквивалентен потенциалу точечного заряда и рассчитывается по приведенной выше формуле. Внутри сферы потенциал везде одинаков и равен потенциалу на поверхности.
Разность потенциалов
Разность потенциалов ΔU между двумя точками равна отношению работы A по переносу заряда Q из первой точки во вторую к величине этого заряда:
Эта работа поля не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением заряда. Такие поля называются консервативными.
Приведем пример расчета разности потенциалов.
В чем измеряется разность потенциалов двух точек поля точечного заряда?
- Заряд шара Q = 2 мкКл
- Расстояние первой точки r1 = 10 см
- Расстояние второй точки r2 = 15 см
Потенциалы точек:
Разность потенциалов:
Ответ: 0,6 В.
Итак, мы убедились, в чем измеряется потенциал и его разность - в вольтах. Рассмотрели основные формулы для расчетов. В следующих частях статьи изучим единицы потенциала более подробно и узнаем, где применяются эти знания на практике.
Единицы измерения
В системе СИ основной единицей измерения электрического потенциала является вольт (В). Один вольт - это разность потенциалов between двумя точками цепи, если через эту цепь протекает постоянный ток в один ампер, когда между точками приложено напряжение в один ом.
Потенциал в системе СГС
В системе СГС для потенциала нет специального названия единицы. Одна единица потенциала СГСЭ соответствует разности потенциалов между двумя точками, если через цепь протекает ток в одну единицу заряда СГСЭ при приложенном напряжении в один эрг на единицу заряда СГСЭ.
Перевод единиц потенциала
Для перевода единиц потенциала из системы СИ в СГС и наоборот используется следующее соотношение: 1 В = 1/300 ед. потенциала СГСЭ.
Рассмотрим пример перевода. Потенциал сферы в системе СИ составляет 12 000 В. Выразим этот потенциал в единицах СГСЭ.
Решение: 12 000 В * (1 / 300 (ед. СГСЭ / В)) = 40 ед. СГСЭ
Измерение приборами
Для измерения потенциала или разности потенциалов используется прибор, который называется вольтметр. Это устройство подключается параллельно участку цепи, потенциал которого нужно определить.
Выбор вольтметра
При выборе вольтметра учитывают:
- Диапазон измеряемых напряжений
- Погрешность прибора
- Входное сопротивление
Рекомендуется выбирать вольтметр с запасом по верхнему пределу измерений и минимально возможной погрешностью.
Применение на практике
Знания о потенциале и разности потенциалов широко используются на практике при проектировании и эксплуатации электротехнических устройств и систем.
Расчет характеристик цепей
С помощью формул для потенциала можно рассчитать напряжение, ток, мощность в электрических цепях. Это необходимо при разработке и оптимизации работы электрооборудования.
Расчет электрических сетей
Потенциал также используется при проектировании и расчетах электрических сетей - систем передачи и распределения электроэнергии. Это позволяет определить оптимальные параметры оборудования и схемы сетей.
Расчет потерь напряжения
Одной из важных задач является расчет потерь напряжения - уменьшения потенциала вдоль линии от начальной подстанции к конечным потребителям. Это позволяет подобрать провода нужного сечения и повысить качество электроснабжения.
Выбор сечения проводов
Правильный выбор сечения проводов и кабелей основан на расчетах допустимой плотности тока и потерь напряжения. Чем больше сечение - тем меньше будет нагрев проводников и падение напряжения при заданной нагрузке.
Расчет токов короткого замыкания
Разность потенциалов используется также в расчетах токов короткого замыкания - аварийных режимов работы электросетей. Знание возможной величины токов позволяет выбрать оборудование с нужным уровнем кратковременной перегрузки.
Электробезопасность
Величина напряжения и потенциала определяет степень опасности поражения человека электрическим током. Поэтому знания о допустимых значениях потенциала применяются в электробезопасности.
Защитное заземление
Для снижения опасного потенциала на корпусах оборудования используется защитное заземление. Это позволяет быстро отключить аварийный участок сети за счет срабатывания защиты.