Що означають електричний потенціал і напруга? ⚡ На прикладах каменя на висоті, водонапірної башти та батарейки розберемося, звідки береться різниця потенціалів, як вона пов’язана з енергією та чому без неї не виникає електричний струм.
Уявімо два однакові камені. Один лежить на землі, а другий знаходиться на даху десятиповерхового будинку. Камені абсолютно однакові, але їхнє положення різне. Якщо перший камінь просто відпустити, нічого особливого не станеться, а другий може впасти й під час падіння набрати значну швидкість. Отже, камінь на висоті має запас енергії, пов’язаний із його положенням у гравітаційному полі Землі.
Потенціальна енергія
Цю енергію називають потенціальною. Чим вище ми піднімемо камінь, тим більшою буде його потенціальна енергія відносно обраного нами рівня. Але якщо на ту саму висоту підняти не маленький камінь, а важку бетонну плиту, її потенціальна енергія буде значно більшою. Тобто потенціальна енергія залежить не лише від положення тіла, а й від його маси.
А якщо ми хочемо описати саме точку гравітаційного поля незалежно від того, яке тіло туди помістимо? Для цього можна визначити, скільки потенціальної енергії припадає на одиницю маси. Так ми відокремлюємо властивість самої точки поля від властивостей конкретного тіла. В електриці використовується дуже схожа ідея.
Електричний потенціал
Заряджена частинка також може мати потенціальну енергію завдяки своєму положенню, але вже в електричному полі. Однак сама величина цієї енергії залежить не тільки від точки, у якій знаходиться частинка, а й від величини та знака її заряду. Тому для характеристики самої точки поля використовують електричний потенціал. Він показує, скільки електричної потенціальної енергії припадає на одиницю заряду.
Математично це можна записати дуже просто:
φ = Eₚ / q
де φ — електричний потенціал, Eₚ — потенціальна енергія заряду, а q — величина заряду. Звідси випливає ще один важливий зв’язок:
Eₚ = qφ
Ця формула знадобиться нам трохи пізніше.
Аналогія електричного потенціала
Потенціал можна уявити як своєрідну «електричну висоту». У гравітації ми можемо сказати: одна точка знаходиться на висоті 20 метрів, а інша — на висоті 5 метрів. В електричному полі одна точка може мати один потенціал, а інша — інший. І саме різниця між ними визначає, яку зміну потенціальної енергії може отримати заряд при переміщенні з однієї точки в іншу.
Уявімо водонапірну башту. Вода знаходиться високо над землею і має запас гравітаційної потенціальної енергії. Через різницю висот у системі може виникнути різниця тисків, і якщо провести трубу вниз та відкрити кран, вода почне рухатися. Важливо не просто те, що в системі є вода, а те, що існують умови для перетворення її потенціальної енергії на рух.
З електрикою логіка схожа. Усередині металевого дроту вже знаходиться величезна кількість вільних електронів. Батарейці не потрібно виробляти нові електрони й закачувати їх у провід. Її завдання інше: завдяки хімічним процесам вона розділяє заряди та підтримує різницю електричних потенціалів між своїми клемами. Саме різницю потенціалів між двома точками ми й називаємо напругою.
Різниця потенціалів
Тут важливо зупинитися. Напруга завжди стосується двох точок. Якщо одна точка має потенціал 10 вольт, а друга — 4 вольти відносно тієї самої точки відліку, різниця потенціалів між ними становить 6 вольт. Якщо ж обидві точки мають однаковий потенціал, напруга між ними дорівнює нулю. Тому вислів «напруга в цій точці становить 5 вольт» неповний, якщо ми не домовилися, відносно якої точки її визначаємо.
Це дуже нагадує висоту. Якщо я скажу, що будинок знаходиться на висоті 200 метрів, природно виникає питання: відносно чого? Від рівня моря? Від підніжжя гори? Від якоїсь іншої умовної точки? Але якщо одна точка знаходиться на висоті 200 метрів, а друга — 150 метрів відносно того самого рівня, різниця висот між ними абсолютно зрозуміла — 50 метрів.
Саме тому вольтметр має два щупи. Один ми під’єднуємо до однієї точки кола, а другий — до іншої, і прилад порівнює їхні потенціали. Він не вимірює якусь «кількість електрики» в одному місці. Вольтметр вимірює різницю електричних потенціалів між двома точками, тобто напругу.
Що таке 1 Вольт
Але чому вона вимірюється саме у вольтах? Один вольт — це один джоуль на один кулон. Якщо різниця потенціалів між двома точками становить 1 вольт, то при переміщенні заряду величиною 1 кулон між ними зміна його потенціальної енергії за модулем становитиме 1 джоуль. При 10 вольтах — 10 джоулів на кулон, а при 230 вольтах — 230 джоулів на кулон. Саме тому напруга безпосередньо пов’язана з передаванням енергії.
Повернемося до звичайної батарейки на 1,5 вольта. Хімічні реакції всередині неї виконують роботу, розділяючи заряди та підтримуючи різницю потенціалів між клемами. Образно батарейку можна порівняти з насосом, який піднімає воду назад на водонапірну башту. Насос не створює воду — він передає їй енергію. Так само батарейка не створює електрони — вона перетворює хімічну енергію та підтримує різницю потенціалів.
І навіть коли батарейка просто лежить на столі, між її клемами вже існує напруга, хоча тривалого струму через зовнішнє коло немає. Напруга і струм — це не одне й те саме. Водонапірна башта також може бути заповнена водою, а кран залишатися закритим. Різниця рівнів і запас енергії існують, але вода нікуди не тече.
Тепер з’єднаємо клеми батарейки провідниками з лампочкою та замкнемо коло. Електромагнітні зміни дуже швидко поширюються вздовж кола, і в провідниках встановлюється електричне поле. Воно діє на вільні електрони, які вже знаходяться всередині металу, і вони починають здійснювати впорядкований дрейф. Виникає електричний струм, а енергія, яку джерело передає системі, зрештою перетворюється в лампочці на світло й тепло.
Електричне поле і потенціал
А тепер згадаємо формулу Eₚ = qφ. Напрям електричного поля визначають як напрям, у якому діяла б сила на позитивний заряд. Такий заряд під дією поля рухався б у бік нижчого потенціалу, і його потенціальна енергія зменшувалася б. Саме тут аналогія електричного потенціалу з висотою працює особливо добре: позитивний заряд ніби «спускається вниз».
Але електрон має негативний заряд, і тому для нього ситуація протилежна. Сила з боку електричного поля діє на електрон проти напрямку поля, тому електрони в металевому провіднику дрейфують у бік вищого електричного потенціалу. Проте це зовсім не означає, що їхня потенціальна енергія збільшується. Оскільки заряд електрона від’ємний, з формули Eₚ = qφ випливає: зі збільшенням потенціалу його потенціальна енергія, навпаки, зменшується.
Саме тому не слід повністю ототожнювати потенціал із потенціальною енергією. Потенціал характеризує точку електричного поля, а потенціальна енергія залежить ще й від величини та знака конкретного заряду. Для позитивного заряду вищий потенціал означає більшу потенціальну енергію, а для негативного — навпаки. Через від’ємний заряд електрона напрям його дрейфу також протилежний прийнятому напряму електричного струму.
А що робить генератор на електростанції? По суті, він розв’язує ту саму енергетичну задачу, що й батарейка, але іншим способом. У батарейці для розділення зарядів використовується хімічна енергія, а в генераторі механічна енергія обертання за допомогою електромагнітної індукції перетворюється на електричну. У генераторі змінного струму при цьому напруга між виводами періодично змінюється разом із напрямком електричного поля.
ЕРС
І тут з’являється ще одне поняття — електрорушійна сила, або ЕРС. Попри назву, це зовсім не сила в ньютонівському розумінні, тому й вимірюється вона не в ньютонах, а у вольтах. ЕРС показує, яку роботу сторонні сили всередині джерела виконують у розрахунку на одиницю заряду. Образно кажучи, вона характеризує здатність джерела знову «підняти» заряд за електричним потенціалом, витративши для цього іншу форму енергії — наприклад хімічну або механічну.
Тепер ми можемо скласти всю картину разом. Електричний потенціал можна уявити як електричний аналог висоти. Напруга — це різниця потенціалів між двома точками. А струм — це впорядкований рух зарядів. Джерело живлення не постачає в наші дроти електрони — вони там уже є. Воно передає системі енергію та підтримує умови, за яких ця енергія може передаватися електричним колом.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Світ електрики“.