В чем состоит физический смысл потенциала

В чем состоит физический смысл потенциала

Потенциал – это параметр, характеризующий физическое силовое поле (гравитационное, электрическое).
Чтобы выяснить физический смысл гравитационного потенциала , необходимо вспомнить третий Закон Кеплера:
R 3 /T 2 = const,
где: R – радиус орбиты (при эллиптической орбите – большая полуось эллипса), м;
Т – период обращения по орбите, с.
Умножим это уравнение на 4π 2 (константа возрастет, но остается константой) и в результате получим:
4π 2 R 3 /T 2 = v 2 R = const,
где v = 2πR/T – орбитальная скорость движения, м/с.
Если это уравнение поделить на радиус (R) , то получим квадрат орбитальной скорости v 2 . Этот параметр называется гравитационным потенциалом данной точки поля. Измеряется в Дж/кг или (м 2 /с 2 ).
Физический смысл – удельная энергия, численно равная работе, необходимой для перемещения одного килограмма массы (единичной массы) из данной точки поля за его пределы.
Эта величина скалярная, ибо характеризует поле только по величине. Принципиально важным является то, что гравитационный потенциал может изменяться от своего максимального значения, равного нулю, до минимально возможного, равного:
— с 2 = — 8,9876*10 16 Дж/кг.
Это значение определяется из соотношения:
μ_oε_oc 2 = 1,
где: μ_o = 4π*10 -7 Дж/(м*А 2 ) – магнитная постоянная (определяет размер ампера и кулона);
ε_o = 8,854187817*10 -12 Кл 2 /(Дж*м) – электрическая постоянная (измеряется в эксперименте с конденсатором).
Вывод: На «границе» поля значение гравитационного потенциала максимально и стремится к нулю, а в направлении к центру поля это значение уменьшается (по модулю – увеличивается) в отрицательную сторону.
В подтверждение сказанному открываем Большую Советскую Энциклопедию и в разделе «Тяготение» читаем: «…потенциал поля тяготения (читай гравитационного поля) частицы массы (M) может быть записан в виде:
φ = – GM/R».
Там же, чуть дальше читаем: «Скорость, до которой разгоняется тело, свободно падающее из бесконечности (предполагается, что там оно имело пренебрежимо малую скорость) до некоторой точки, равна по порядку величины корню квадратному из модуля гравитационного потенциала φ в этой точке (на бесконечности φ считается равным нулю)».
И действительно, по теории Ньютона соотношение (Gm/r) равно квадрату вышеупомянутой скорости (v 2 ) :
GM/R = v 2 .
Следовательно, φ = – v 2 .
Еще чуть дальше оговаривается и предел применения теории Ньютона, которую «…можно применять только в том случае, если
|φ| 2 ».
Здесь указан модуль гравитационного потенциала, ибо его значение отрицательно, а скорость света в квадрате представлена, как предельное значение гравитационного потенциала.
Вывод: гравитационный потенциал (v 2 ) может изменять свое значение от минус c 2 (минимум) до нуля (максимум):
– c 2 2 .
Гравитационный потенциал (v 2 ) равен отношению потенциальной энергии (W) взаимодействия массы (m) тела с полем к величине этой массы:
v 2 = W/m, Дж/кг.
Напряжённость гравитационного поля (g) может быть выражена как градиент гравитационного потенциала (v 2 ):
g = – grad v 2 .
Аналогично электрический потенциал (U) тоже является скалярной энергетической характеристикой электростатического поля. Он равен отношению потенциальной энергии (W) взаимодействия заряда с полем к величине этого заряда (q):
U = W/q, Дж/Кл.
Напряжённость электростатического поля (Е) и потенциал (U) связаны соотношением:
Е = – grad U.

Пивоваров Валерий Иванович
Кишинев, 2001 год.

Физический смысл потенциала и разности потенциалов

физический смысл имеет только разность потенциалов (или напряжение) между двумя какими-либо точками в электрическом поле, так как работа по переносу заряда в поле определена только тогда, когда заданы и начало и конец этого пути переноса. Поэтому, когда мы говорим об электрическом напряжении, то всегда имеем в виду две точки, между которыми существует это напряжение. Когда по некоторой небрежности речи говорят о напряжении или потенциале в одной какой-либо точке, то всегда подразумевают разность потенциалов между этой точкой и какой-то другой, выбранной заранее.

Остальные ответы

разность потенциалов — это НАПРЯЖЕНИЕ (измеряется в Вольтах) , необходимое условие создание тока.
потенциал (насколько помню) это прямая зависимость от заряда тела — тоисть чем более заряжено тело (заряд измеряется в Кулонах) , тем больший у него потенциал.

Физический смысл потенциала поля в данной точке заключается в работе поля по перемещению единичного объекта из данной точки в точку поля, в которой сила, действующая на объект со стороны поля равна нулю (чаще всего в бесконечности) .
Физический смысл разности потенциалов между двумя точками поля определяется работой поля по перемещению единичного объекта из некоторой первой точки во вторую. Не путать РАЗНОСТЬ потенциалов с ИЗМЕНЕНИЕМ потенциалов.

GELAYU USPEXOV .
Vladimir Shchookin.

В чем состоит физический смысл потенциала

Похожие статьи

• Электрический автомат
• Электрический тёплый пол
• Электрический фильтр
• Электрический щит

Комментарии (2) к записи «Электрический потенциал»

Елена 2.03.2017 13:05

Хорошая статья. Отличное сочетание знания и живого общения.

Владимир 25.11.2019 18:04

Толково написано, особенно про поля и потенциал.

РУБРИКИ САЙТА:

СВЕЖИЕ ПУБЛИКАЦИИ:

• Компаратор напряжения
• Сверхъяркий светодиод
• Токовая петля
• Ремонт стиральной машины LG WD 10120 ND
• Электронный дроссель

Свежие комментарии:

Бытовая техника с точки зрения потребителя

Использование материалов разрешено только при наличии индексируемой ссылки на страницу с материалом. Контакты: admin@vashtehnik.ru

Что такое электрический потенциал

Потенциальной в физике называют энергию, определяемую расположением тел в каком-либо поле. То есть, она представляет собой работу, вызванную в этом поле переносом материальных тел (точек). Например, в таком потенциальном поле, как тяготение Земли, работа, связанная с поднятием предмета массой m на незначительную высоту h и есть его потенциальная энергия.

Что такое электрический потенциал

В любом поле реально определить степень потенциальной энергии и электростатическое не исключение, поскольку оно состоит из материальных точек с электрозарядом. Из-за того, что в электростатическом поле все объекты (точки) обладают единичным плюсовым электрозарядом, а у последнего есть запас потенциальной энергии, то она выражается скалярным физическим параметром, соответствующим энергетическому состоянию. Объясняя по-простому, потенциал электростатического поля выражается действиями, совершенными его силами во время переноса в нем зарядов из отправных точек в зону окончания перехода. Следовательно, можно сказать, что потенциал электрического поля — это выявление степени прилагаемых сил. Это означает, что электростатическим пространством задействуются силы для перемещения электрозарядов с одного места на новое, их величину и следует определить.

Единица измерения

Так как потенциальность электрического поля — параметр энергетический, то он определяется соотношением потенциальной энергии к величине электрозаряда.

Если при перемещении электрозаряда 1 Кулон совершается работа 1 Джоуль, то разность потенциалов, присутствующая между двумя точками электрополя, будет измеряться одним вольтом. Следовательно, 1В = 1 Дж/Кл.

В системе СГС для единицы измерения электрического потенциала не существует специального названия. Работа в этой системе измеряется эргами, разность потенциалов — единицей потенциала СГСЭ, электрозаряд — единицей заряда СГСЭ. Соответствие между единицами измерения систем СИ и СГС выражается равенством 1 В = 1/300 ед. потенциала СГСЭ.

Электрический (энергетический) потенциал

Взаимодействие тел в физике характеризуется их потенциальными энергиями. Электростатическое поле потенциально, так как его действие в условиях замкнутой территории нулевое, а все поля с подобными условиями признаны потенциальными.

Действие сил потенциального поля выражается через энергию, измененную им. То есть, степень потенциальной энергии электрозаряда не соотносится с его уровнем при перемещении. Поэтому качественное определение электрополя выражается потенциалом, который не зависит от находящегося в нем заряда.

Физический смысл имеет не электрический или электростатический потенциал, а разность потенциалов. Она обозначается как φ₁-φ₂ и определяется по формуле:

Потенциал точки электрополя

Поле, сформированное электрозарядами, отличается тем, что работа, возникшая при воздействии его сил на заряженные точки для их переноса, зависит исключительно от расположения последних. То есть, от места, где точка была и где она будет, но никак не от маршрута ее следования. Именно это и есть потенциальность электрического поля.

Потенциал точки электрического поля определяется действиями, которые предпринимают силы данного поля для переброски заряда от изначального расположения в настолько далекую бесконечность, что место его перехода принято считать нулевым. Следовательно, электрический потенциал точки выражается работой, совершенной силами электростатического пространства для переброса плюсового единичного заряда из исходного его расположения в бесконечность.

При переносе объекта тем же курсом, по которому направлены силы, производящие работу со стороны электрополя, последние совершают положительное действие, а значит и потенциал отправной точки также положителен. Если, наоборот, объект двигается им навстречу, то они совершают отрицательное действие и знак потенциала точки будет отрицательным.

Так как в электрическом поле при переносе заряда из отправной в конечную точку не важен маршрут следования, а только место расположения, то работа, проделанная в период перехода из одного пункта в другой, равняется сумме проделанных работ: сначала из пункта отбытия в бесконечность, а затем из последней — в пункт прибытия.

Описывая по-другому, работа, которую выполняет электрическое поле при переносе единичного заряда, равна разнице электрических потенциалов обеих точек. Поэтому электростатическое поле — это потенциальное поле. Оно напрямую зависит от места расположения зарядов — изначального и окончательного, а не от их пути.

Вот почему заряд с плюсовым значением всегда направляется к силе, совершающей положительное действие. То есть, он исходит от точек, потенциал которых высок, к тем, у которых он низок. Отрицательные же заряды направлены от точек с низким к обладающим более высоким потенциалом.

Физическая составляющая поля

Параметр, определяющий энергетическую составляющую поля, называется потенциалом точки. То есть, в электростатическом пространстве есть заряд (q), обладающий потенциальной энергией (W). Если сравнить с потенциальной энергией, например, в механике, то у шара, лежащего на земле, она нулевая. Стоит поднять этот шар на любую высоту (произвести работу (А)), как он приобретает потенциальную энергию. В электрике энергия измеряется в вольтах. Если она имеет величину 1 Дж, а заряд 1 Кл, то потенциал электрического поля будет равен значению 1 Дж/1Кл, то есть 1 W.

Энергетическая составляющая электростатического поля — потенциал (силовая — напряжение). Для всех видов полей (однородных и других) свойственно, что потенциальная энергия соответствует заряду в электростатическом поле.

Силы последнего в пределах замкнутой траектории, проделывая работу по переносу заряда, равны нулю. То, что сила нулевая и не обусловлена траекторией и ее формой, делает ее консервативной силой. Поэтому потенциальное — это силовое поле с консервативными силами, действующими на тела.