Предыдущий урок: Физика для чайников. Урок 19. Проводник и диэлектрик в электрическом поле
Все вы знаете, что пальцы в розетку совать нельзя, там напряжение 220 Вольт и оно опасно для жизни. А 380 Вольт еще опаснее. А вот в обычной пальчиковой батарейке напряжение всего 1.5 Вольта, и оно безопасное. Но почему? И что вообще такое напряжение? Если говорить на обывательском языке, то чем больше напряжение, тем сильнее оно толкает электроны (или иные заряженные частицы) и тем сильнее они «бегают». А значит, больше электрический ток.
А теперь все тоже самое, но по научному и с формулами. Поехали…
На уроке «Физика для чайников. Урок 11. Энергия. Закон сохранения энергии» вы познакомились с понятием потенциальной энергии. Тогда речь шла о потенциальной энергии в гравитационном поле. Напомню ее формулу (для Земли):
где h – высота, на которую поднято тело, g – ускорение свободного падения, примерно 9.8 м/с^2, ну а m - масса тела. Если речь идет о других планетах, то вместо g просто будет другое значение ускорения свободного падения.
Аналогично, существует потенциальная энергия и для заряда в электрическом поле. Она равна той работе, которая будет совершена электрическим полем при перемещении на заданное расстояние (например, на расстояние между обкладками конденсатора, который и создает это поле).
Из определения напряженности электрического поля (см урок «Физика для чайников. Урок 18. Электрическое поле») мы можем вывести зависимость:
где F – это сила, действующая на заряд q, E – напряженность электрического поля.
Тогда работу, совершаемую электрическим полем при перемещении заряда, можно выразить формулой:
здесь d1-d2 – это пройденное расстояние из точки d1 в точку d2.
Работа равна изменению потенциальной энергии, взятой с противоположным знаком. Тогда
здесь Wp обозначает потенциальную энергию, а дельта (треугольничек такой) – разницу (разность). Тогда
Как видим, эта формула действительно похожа на формулу потенциальной энергии у поверхности земли.
Из формулы мы видим, что потенциальная энергия пропорциональна заряду. Если мы разделим потенциальную энергию на заряд, то получим величину, не зависящую от заряда. Эта величина называется потенциал:
Но на самом деле практическую значимость имеет не сам потенциал, а разность потенциалов между двумя точками. Эта разность потенциалов и есть напряжение.
Потенциал (и равность потенциалов соответственно) измеряется в Вольтах (Дж / Кл). Таким образом, один Вольт соответствует работе в один джоуль при перемещении заряда в один кулон.
Следующий урок: Физика для чайников. Урок 21. Электрический ток