« poprzedni punkt 


6. Potencjał i napięcie elektryczne

W występującym wokół nas świecie fizycznym obserwujemy nieustanny ruch cząstek elementarnych, a wraz z nim ładunków elektrycznych, zarówno dodatnich jak i ujemnych. Ruch ten powoduje powstanie w przestrzeni otaczającej te cząstki pola elektromagnetycznego. Zjawiska towarzyszące rozprzestrzenianiu się tego pola są zjawiskami elektromagnetycznymi. Zjawiska te występują zawsze wspólnie, chociaż każde z wymienionych zjawisk tzn. zjawiska elektryczne i zjawiska magnetyczne cechują ściśle określone własności i dzięki czemu można je oddzielnie analizować. Fakt ten ma duże znaczenie praktyczne, gdyż wiele urządzeń elektrycznych działa wykorzystując tylko własności pola elektrycznego lub tylko własności pola magnetycznego.

W oparciu o szczególne własności pól elektrycznego i magnetycznego można podać ich definicje.

Definicja 1.11. Polem elektryczny nazywamy pole wywołane przez ładunki elektryczne i charakteryzujące się tym, że na nieruchome ciała naładowane lub cząstki elementarne umieszczone w nim działa siła.

Definicja 1.12. Polem magnetycznym nazywamy pole wywołane przez poruszające się ładunki elektryczne (lub stale ładunki magnetyczne) i charakteryzujące się tym, że na poruszające się ciała lub cząstki elementarne działa siła.

Stwierdzono doświadczalnie, że zmiana w czasie jednego z tych pól powoduje pojawienie się drugiego pola. W tym jest właśnie zawarty nierozerwalny związek zjawisk elektrycznych i magnetycznych i staje się widoczny w sformułowaniu prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya (def. indukcyjności - wykł.II.).

Pole elektromagnetyczne scharakteryzowane jest w każdym punkcie przez wektory: natężenia pola elektrycznego - E, indukcji elektrycznej - D, indukcji magnetycznej - B i natężenia pola magnetycznego - H. Wielkością pomocniczą służącą do opisu pola potencjalnego jakim jest pole elektryczne i pole magnetyczne jest potencjał. Ze względu na dalsze zastosowania zajmiemy się dalej potencjałem elektrycznym .

Definicja 1.13. Potencjałem elektrycznym VA punktu A pola elektrycznego nazywamy stosunek pracy, wykonanej przez przemieszczenie dodatniego ładunku próbnego q z punktu A do punktu położonego w nieskończoności, do wartości tego ładunku:

     VA = W(A® ¥ ) /q(1.1)     

Potencjał elektryczny jest wielkością skalarną. Jednostka potencjału jest 1 wolt (1 V). Jeżeli pole elektryczne jest wywoływane przez kilka źródeł, to potencjał wypadkowy jest równy algebraicznej sumie potencjałów od poszczególnych źródeł. W polu elektrycznym można wyodrębnić wiele punktów mających ten sam potencjał. Tworzą one powierzchnię równego potencjału lub inaczej powierzchnię ekwipotencjalną, a przy płaskim obszarze pola linie ekwipotencjalne.

Definicja 1.14. Napięciem elektrycznym UAB miedzy punktami A i B nazywamy stosunek pracy DWAB, która wykonałyby siły pola elektrycznego przy przemieszczeniu dodatniego ładunku próbnego q z punktu A do B:

     UAB = D WAB /q(1.2)     

Ponieważ

     D WAB = W(A® ¥ ) - W(B® ¥ )(1.3)     

to

     UAB = VA - VB(1.4)     

Napięcie między punktami A i B, którym odpowiadają potencjały VA oraz VB jest równe różnicy potencjałów w tych punktach. Napięcie UAB > 0, jeżeli VA > VB oraz UAB < 0, jeżeli VA < VB. Dla VA = VB napięcie UAB = 0. Łatwo zauważyć, że

     UAB = - UBA(1.5)     

Napięcie bywa również nazywane siłą elektromotoryczną - SEM. Jednostką miary napięcia jest 1 wolt.

Napięcie jest równe jednemu woltowi wtedy, gdy na przemieszczenie ładunku jednego kulomba pomiędzy punktami A i B trzeba wykonać pracę jednego dżula. Mówiąc o napięciu zawsze należy używać sformułowania: napięcie między dwoma punktami układu (pomiędzy zaciskami) lub na elemencie układu.

Całościowe ujęcie zjawisk elektrycznych i magnetycznych i ich opis matematyczny dokonał Maxwell w drugiej połowie XIX wieku. Jemu też zawdzięcza się odkrycie fal elektromagnetycznych. Ze względu na ograniczone ujecie tych zjawisk w elektronice (Wykł.II.) nie będziemy dalej wnikali w polowe ujęcie teorii elektromagnetyzmu.


« poprzedni punkt