This content is Free Access.
Electric Potential
  • 00:06Vue d'ensemble
  • 00:54Principles of Electric Potential
  • 04:01Electric Potential Around a Charged Sphere
  • 05:21Applications
  • 06:28Summary

פוטנציאל חשמלי

English

Diviser

Vue d'ensemble

מקור: יונג פ. חן, PhD, המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה, המכללה למדע, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, IN

הפוטנציאל החשמלי, הידוע גם בשם “מתח”, מודד את האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית לכל מטען ליחידה. שדה חשמלי הוא כמות סקלרית והוא בסיסי להשפעות חשמליות רבות. בדומה לאנרגיה פוטנציאלית, מה שמשמעותו הפיזית הוא ההבדל בפוטנציאל החשמלי. לדוגמה, השונות המרחבית בפוטנציאל החשמלי קשורה לשדה החשמלי, מה שמוליד את הכוח החשמלי בטעינה. ההבדל בפוטנציאל החשמלי בין שתי נקודות בנגד מניע את זרימת הזרם החשמלי.

ניסוי זה ישתמש הן במד וולט והן בצינור פלואורסצנטי כדי להדגים את הפוטנציאל החשמלי (ליתר דיוק, ההבדל הפוטנציאלי בין שתי נקודות בחלל) שנוצר על ידי כדור טעון. הניסוי מדגים את הרעיון של משטחים שוויוויפוטנציאליים, המאונכים לשדות החשמליים.

Principles

מטען נקודה Q הממוקם במקור (r = 0) מייצר פוטנציאל חשמלי:

Equation 1(משוואה 1)

בכל נקודה בחלל עם מרחק r מהמטען (במקור r = 0). משוואה 1 מתארת גם את הפוטנציאל החשמלי שמייצר כדור טעון אחיד (במרכז r = 0) עם טעינה כוללת Q בחלל שמחוץ לספירה (איור 1). בשני המקרים, נקודת ה”הפניה” (שבה הפוטנציאל הוא אפס) נמצאת במרחק אינסופי מהמטען. הפוטנציאל החשמלי משתנה לאורך הכיוון הרדיאלי, שהוא הכיוון של השדה החשמלי.

עבור שתי נקודות P1 ו- P2 עם מרחק r1 ו- r2 הרחק מהמקור (מרכז המטען), בהתאמה, ההבדל הפוטנציאלי בין שתי נקודות אלה הוא:

Equation 2(משוואה 2)

אם נקודה P2 נמצאת באינסופיות (→∞), פעולה זו מפחיתה את משוואה 2 למשוואה 1. לכן, יש הבדל פוטנציאלי בין שתי נקודות אם ורק אם שתי נקודות אלה יש מרחק שונה מן המקור (מרכז המטען). משטח כדורי שבמרכזו המקור הוא “משטח שווי שוויון” במקרה זה. הערה במקרה זה, השדה החשמלי (לאורך הכיוון הרדיאלי) הוא מאונך למשטח השווי כוח (כדור). זה מתברר להיות נכון בדרך כלל: פני השטח השוויפת הוא מאונך לכיוון השדה החשמלי.

Figure 1

איור 1: תרשים המציג כדור טעון המחובר לגנרטור חשמלי. וולטמטר משמש למדידת הפוטנציאל החשמלי בנקודה “A” (עם מרחק r ממרכז הספירה).

Procédure

1. פוטנציאל חשמלי בשל כדור טעון להשיג גנרטור ואן דר גראף, אשר יכול לשים מטען על כדור מתכת. מרכז הספירה מוגדר כמקור לניסוי זה. תשיג מד-ים. התחבר (באמצעות כבלי ניצוח) מסוף “−” שלו לקרקע או למסוף התייחסות על מחולל ואן דר גראף, או לקרקע חשמלית (כגון צינור ניצוח גדול) רחוק (לפחות כמה מטרים) מהגנרטור. חבר את מסוף ה-“+” שלו לכבל וולטמטר עם קצה גשושית מתח שניתן להזיז. החיבור הסכמטי מוצג באיור 1. סובב את הארכובה של הגנרטור על ידי לפחות 10 פניות כדי לטעון את הכדור. כאשר מד הוולט מופעל, מקם את קצה גשושית המתח (המחובר למסוף “+” של הוולטמטר) במרחק של כ-0.5 מטרים מהמקור. השתמש בסרגל כדי למדוד או לסמן את המרחק מראש, אם תרצה. הקלט את קריאת המתח על מד הים. הזז את הקצה מסביב אך שמור על המרחק מהמקור. שימו לב לקריאת מד הוולטמטר. חזור על השלב לעיל עם קצה בדיקת המתח להציב על 1 מ ‘ו 1.5 מ ‘, בהתאמה. להשיג צינור פלואורסצנטי (ידני). הביאו את הצינור ל-0.5 מ’ ממרכז הספירה הטעון (איור 2a). ראשית, כוון את הצינור כך שהוא יהיה לאורך הכיוון הרדיאלי הרחק מהספירה. שימו לב לצינור (כבו את האורות כדי להקל על התצפית בחושך יחסי). לאחר מכן סובבו את הצינור ב-90 מעלות כך שהוא יהיה מאונך לכיוון הרדיאלי (איור 2b). שים לב לצינור שוב. איור 2: תרשים המציג כדור טעון המחובר לגנרטור חשמלי. צינור פלואורסצנטי משמש כדי לציין את ההבדל הפוטנציאלי בין שני הקצוות של הצינור. במקרה של ( א) הצינור מכוון לאורך הכיוון הרדיאלי; ו- ( ב) הצינור מכוון בניצב לכיוון הרדיאלי.

Résultats

In steps 1.4-1.5, the voltmeter can be observed to give similar readings if the probe tip is kept at similar distances from the origin (that is, on an equipotential surface). However, the voltage drops if the probe moves farther away from the origin. The voltage reading at 1 m and 1.5 m away will be about 1/2 and 1/3 of the reading at 0.5 m away, respectively. If the voltage V measured versus the inverse distance (1/r) is plotted, a straight line results, as expected from Equation 1.

Applications and Summary

Electric potential (voltage) is ubiquitous and perhaps the most commonly used quantity in electricity. It is often much more convenient to use electric potential (which is a scalar) than electric field (which is a vector), even though the two can be related to each other. Electric potential difference is used to drive and control charge motion (accelerate/decelerate/deflect charges), for example in a TV screen or electron microscope. Electric potential difference (what we usually call voltage) is also what drives current flow in a conductor. Whenever one measures a voltage, one is measuring the electric potential difference between two points (one of which is sometimes a reference point or ground defined to have zero potential).

The author of the experiment acknowledges the assistance of Gary Hudson for material preparation and Chuanhsun Li for demonstrating the steps in the video.

Transcription

Electric potential defines the energy of a charged particle. It gives rise to electric field and electric force, and is the basis of many electrical phenomena.

The term electrical potential is denoted by the Greek symbol Φ. It is a scalar quantity with a sign and magnitude. Any charge creates electric potential in the space around it. It is different from the term Voltage, although both these physical quantities are measured in Volts.

Here, we will first explain what these terms are, discuss the parameters that affect Φ, and then demonstrate the measurement of electric potential around a charged sphere.

As discussed in the Energy and Work video, potential energy of any object of mass m under the influence of gravitational acceleration g is equal to the amount of work needed to move that object by a height h from the ground. Mathematically, it is given by the formula mgh and has the unit of Joules.

Similarly, in the electric field E around a positively charged surface, the electrical potential energy at a specific point relative to a reference point is the amount of work necessary to move a positive test charge +q from the reference to that specific point. The distance between the two points is denoted by the letter d. Analogous to the gravitational potential energy, the electrical potential energy is the product of q, E, and d, and has the units of Joules.

Then, the electric potential or Φ at that point in the field is the electrical potential energy divided by ‘q’, the charge on the test charge. Therefore, the unit for Φ is joules per coulomb, AKA volts.

Now, if we consider another point in the field, it would have a different electric potential; say Φ0. The potential difference or Φdiff between the two points is known as voltage. This is the concept behind a battery, where the positive terminal is at a higher electric potential compared to the negative terminal and the difference between the two potentials is the voltage of the battery.

Coming back to electric potential, recall that it is a scalar quantity with a sign and magnitude. The sign depends on the source charge. Around an isolated positive charge, the potential is positive, whereas around an isolated negative charge it is negative.

The magnitude of the potential depends on the Q of the source charge producing the electric field, the distance d from the source charge, and the configuration.

For example, the electric potential at any given point around a point charge or a uniformly charged positive sphere with charge Q is given by this formula. It is evident that Φ is inversely proportional to the distance from the sphere. And the graph of electric potential magnitude versus distance is approaching zero at infinity.

This dependence on d also indicates that all locations at the same radius from the charged sphere would have the same potential. This means that there are equipotential surfaces of spherical shape around a charged sphere.

Now that we’ve explained the concepts behind electric potential and potential difference, let’s see how to validate these principles experimentally using a charged sphere.

This experiment uses a Van der Graff generator to charge a metal sphere. Connect the negative terminal of a voltmeter to the generator’s reference terminal or ground. Use a cable to connect the positive terminal of the voltmeter to a probe tip.

Turn the crank of the generator at least 10 times to charge the sphere then turn on the voltmeter and place the tip of the voltage probe about one-half meter away from the center of the sphere. Record the voltage reading at this location.

Move the probe tip around the sphere while maintaining a constant radius of one half meter from the center. During this time, observe the voltmeter measurements and note how the reading remains constant, indicating a spherical equipotential surface.

Repeat this procedure with the probe tip at a distance of one meter, and then one and a half meters from the center of the sphere.

The plot of measured potential versus distance displays a curve that decreases inversely with distance, which validates the theoretical relationship between electric potential and distance, for a charged sphere.

Electric potential is one of the most commonly used electrical quantities and is fundamental to the storage and release of electrical energy.

An electron microscope uses a high electric potential difference to accelerate electrons in a beam that bombards the sample under examination. These electrons act like a light in an optical microscope, but with much smaller wavelengths and much greater spatial resolution, enabling the ability to visualize sub-micron sized structures.

Electric potential is an important component of gel electrophoresis – a molecular biology technique commonly used for separating large molecules, such as DNA, by size and charge. In this technique, sample material is placed on a slab of agarose gel and an electric potential difference is applied between the ends. In the resulting electric field, the various molecules and molecular fragments move with speeds that depend on charge and molecular weight.

You’ve just watched JoVE’s introduction to electric potential. You should now know how to measure electric potential, and understand how it affects charges and relates to electric potential energy. Thanks for watching!

Tags

Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Electric Potential. JoVE, Cambridge, MA, (2023).